Типы солнечных коллекторов для систем отопления

Солнечный коллектор, являясь основным компонентом солнечной энергетической системы, преобразует лучистую энергию солнца в полезную тепловую энергию и отдает это тепло теплоносителю. Теплоноситель переносит тепло в здание или в аккумулятор для дальнейшего использования. Его также можно использовать в цикле кондиционирования воздуха или нагрева воды для хозяйственных нужд.

Существует весьма много моделей простых и эффективных коллекторов. Среди пассивных систем такими устройствами являются окна и сочетание коллектор-аккумулятор. Системы активного использования солнечной энергии отличаются тем, что функции солнечного отопления или охлаждения осуществляются с помощью разных средств. Так, водные крышные коллекторы выполняют одновременно функции поглощения, хранения и переноса тепла в помещение, нуждающееся в обогреве.
Однако в традиционном смысле солнечный коллектор представляет собой специальное устройство, которое придается зданию. Большинство коллекторов, используемых для отопления и охлаждения зданий, являются плоскими коллекторами. Эти коллекторы могут быть жидкостного или воздушного типа в зависимости от вида циркулирующего в них теплоносителя.

Основным элементом жидкостного плоского коллектора является поглощающая пластина (теплоприемник), которая задерживает солнечный свет, преобразует его в тепло и передает его теплоносителю. Поверхность теплоприемника обычно окрашивается в черный цвет. Для уменьшения потери тепла с поверхности пластины над ней устанавливается прозрачное покрытие. Потери тепла с тыльной стороны теплоприемника уменьшают при помощи тепловой изоляции. Все эти элементы обычно помещаются в деревянные или металлические контейнеры.
Системы сбора солнечного тепла с использованием в качестве теплоносителя воздуха приемлемы для отопления помещений всех типов, особенно в тех случаях, когда не предусматривается или в незначительной степени используется охлаждение или подогрев воды для бытовых нужд.
Воздушные системы выглядят привлекательнее жидкостных, так как требуют меньше трубопроводов и деталей и поэтому менее дороги. Сложности эксплуатации жидкостных систем включают проблемы возможного замерзания жидкости в коллекторе, необходимость учета расширения жидкости при ее нагреве в системе включая возможность мгновенного перехода жидкости в газообразное состояние, возможность протечек системы, а также неизбежность коррозии металлических водопроводных труб.

Сравнительная простота воздушных систем привлекательна для всех желающих построить свою собственную систему, но, как и в случаях со всеми без исключения системами сбора, хранения и использования солнечной энергии, их точный расчет труден, поэтому все подобные системы, за исключением простейших, должны проектироваться специалистом в вопросах механики и теплообмена. Тем не менее, воздушные коллекторы сравнительно легко содержать и ремонтировать. Вентиляторы, приводы демпферов и органы управления могут отказать ранее, однако крупные узлы, в том числе коллектор, аккумулятор тепла и воздуховоды, должны быть рассчитаны на длительный срок службы.
Изготовление воздушных коллекторов и связанных с ними узлов и систем сравнительно просто, если сопоставить данный процесс со слесарно-водопроводными работами и проблемами подбора пластины теплоприемника, пригодной для жидкостных систем. За исключением конструкции д-ра Гарри Томсона, в которой вода стекает по волнистому металлическому листу, в большинстве конструкций теплоприемника трубы крепятся к ним или составляют с ними одно целое, причем обращаться с этими узлами непросто даже квалифицированным рабочим. Гораздо легче содержать теплоприемник в системе воздушного коллектора. Поскольку такие приемники не соединяются с системой водоснабжения, которая должна быть герметичной, поскольку их конструирование не требует строгого учета расширения и сжатия, нет нужды изготавливать их с большой точностью.

По сути дела, для коллекторов воздушного типа теплоприемник необязательно должен быть металлическим. Так как во многих типах коллекторов воздух соприкасается с поверхностью любого материала, нагреваемого солнцем, тепло необязательно должно передаваться от одного участка поверхности теплоприемника к другому, как в случае жидкостных коллекторов. Почти любая зачерненная поверхность, которая нагревается солнцем, будет передавать тепло воздуху, обтекающему ее. Такой механизм теплообмена открывает множество вариантов выбора поглотителей.
Солнечный пруд — это водоем, поглощающий и аккумулирующий тепло солнечной радиации круглый год. Таким образом, он служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами солнечной энергии. Размер пруда зависит от климатических условий, типа здания и конструкции системы.

В солнечном пруду происходит одновременно улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70°С. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой, и эта теплота довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего ее температура может достигать 90°-100°С, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20°С. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты. Вследствие того, что теплопотери невелики, падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда.

Обычно глубина пруда составляет 1-3 м. На 1 м2 площади пруда требуется 500-1000 кг поваренной соли, которую можно заменить хлоридом магния.
Вышеописанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент концентрации соли, направленный сверху вниз. Весь объем жидкости можно считать разделенным на 3 зоны, концентрация соли в которых возрастает от поверхности ко дну. Верхний тонкий слой (10-20 мм) практически пресной воды граничит с неконвективным слоем жидкости большой толщины, в котором концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо с помощью змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе в меньшей степени нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, второй же способ более эффективен и экономичен с теплотехнической точки зрения.

Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.

Подготовил Владимир ДАНИЛОВ