КОЛЛЕКТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Коллектор солнечной энергии(К.с.э.) — гелиоприемник, составная часть системы солнечного отопления, предназначенная для улавливания солнечного излучения, преобразования его теплоту и нагревания воды, воздуха и другой жидкой или газообразной среды. В активных системах солнечного отопления и горячего водоснабжения обычно воспользуются плоские коллекторы солнечной энергии, иногда вакуумированные стеклянные трубчатые коллекторы, реже — фокусирующие коллекторы солнечной энергии, в которых плотность потока солнечного излучения попытается благодаря концентрированию с помощью зеркальных отражателей или линз. Плоский коллектор солнечной энергии состоит из прозрачной изоляции, зачерненной лучепоглощающей поверхности (абсорбера), трубок для теплоносителя, теплоизоляции и корпуса. Солнечная радиация, поглощаемая в коллекторе солнечной энергии, нагревает теплоноситель до температуры обычно не более 90°С. Для поглощения солнечной радиации коллектор солнечной энергии должен быть обращен строго на юг. Практически их устанавливают с отклонением 15—20° от оптимальной ориентации, что незначительно уменьшает мощность коллектора солнечной энергии. Для круглосуточной максимальной облученности угол, равный широте местности, оптимальный. При использовании коллектора солнечной энергии летом максимальная плотность радиации будет при угле наклона, равном широте местности, минус 1 градус , а оптимальное облучение солнцем зимой — при угле наклона, на 15° большем широты местности. Прозрачная изоляция представляет собой один или два слоя стекла или полимерной пленки, размещаемых на расстоянии 30 — 50 мм от теплопоглощающей поверхности и между собой. При температуре нагреваемого теплоносителя до 30 С могут применяться коллектор солнечной энергии без прозрачной изоляции. Абсорбер плоского коллектора солнечной энергии, изготовляется из теплопроводного материала (стали, алюминия, каучука, резины). Жидкий теплоноситель нагревается в трубках диаметров 12 — 15 мм, припаянных к листу, или в штамповочных каналах, расположенных на расстоянии 50—150 мм один от другого. Верхние и нижние концы трубок (каналов) соединены гидравлическими коллекторами. В воздушных коллекторах солнечной энергии нагреваемый воздух движется в пространстве между прозрачной изоляцией и лучевоспринимающей металлической плоской или гофрированной поверхностью либо через пористую насадку. Оснонная характеристика тепловой эффективности коллектор солнечной энергии — его кпд, равный отношению количества полезной теплоты к количеству солнечной энергии, поступающей на повержность коллектора солнечной энергии. Кпд коллектора солнечной энергии зависит от его конструкции, климата местности и условий эксплуатации. Повышение тепловой эффективности коллектора солнечной энергии достигается в результате снижения теплопотерь излучением путем применение селективного поглощающего покрытий абсорбер с высокой способностью поглощать коротковолновое солнечное излучение и низкой излучательной способностью в диапазоне длинноволнового теплоюого излучения; исключения конвективных теплопотерь посредством вакуумирования пространства между абсорбером и прозрачной изоляцией; применении концентратора солнечного излучения; использований нескольких слоев прозрачной изоляции или ячеистой структуры над абсорбером для снижении конвективных и лучистых теплопотерь. Высокоэффективные коллекторы солнечной энергии — селективные плоские, стеклянные трубчатые вакуумированные и фокусирующие. В вакуумированных стеклянных трубчатых коллекторах солнечной энергии вследствие поддержания вакуума ниже 1,33 Па в пространстве между лучепоглощающей поверхностью абсорбера и стеклянной оболочкой практически исключаются конвективные, а при применении селективных покрытий и лучистые теплопотери, благодаря чему возможно нагревание теплоносителя до высокой температуры (90—900°С). Еще больший эффект достигается при применении в вакуумированного фокусирующем коллектором солнечной энергии концентратора солнечного излучений, приемника-поглотителя концентрированого излучения и устройства для слежения за движением Солнца. Значит, эффект дает применение в коллекторе солнечной энергии тепловых труб и ячеистых (сотовых) структур из прозрачного материала, устанавливаемых в пространстве между остеклением и лучепоглощающей поверхностью. В коллектор солнечной энергии с ячеистой структурой можно нагреть теплоноситель до 250 С, коллектор солнечной энергии с тепловой трубой обеспечивает высокую плотность потока передаваемой теплоты, компактность устройства, передачу теплоты в одном направлении — из зоны испарении в зону конденсации, отсутствие затрат энергии на перекачку среды, передачу теплоты при очень малой разности температуры, саморегулируемость. В системах солнечного отопления используют» плоские коллекторы солнечной энергии с плоской тепловой трубой. При этом практически исключаются коррозия и замерзание системы. Эффективность фокусирующих коллекторов солнечной энергии и условиях холодного климата снижается, так как в отличие от плоских коллекторов солнечной энергии они улавливают только прямое солнечное излучение и не улавливают рассеянного, преобладающего в северных широтах (50 с.ш. и выше), поэтому в системах солнечного отопления зданий их применение нецелесообразно.
Тепловая эффективность коллектора солнечной энергии характеризуется также его тепловой мощностью, равной произведению массового расхода нагреваемого теплоносителя, его удельной изобарной теплоемкости и разности температуры на выходе и входе в коллекторе солнечной энергии. Средний кпд плоского коллектора солнечной энергии равен 30—50%, фокусирующего с параболоцилиндрическим концентратором или линзой Френеля — 50—70% и вакуумированного стеклянного трубчатого — 40—60%. Основным направления дальнейшего совершенствования конструкций коллектор солнечной энергии: уменьшение теплопотерь путем вакуумирования внутреннего пространства; применение селективных покрытий и прозрачных структур для подавления конвекции воздуха в пространстве между прозрачной изоляцией и абсорбером; снижение удельной массы модуля коллектора солнечной энергии и увеличение его габаритов; сокращение теплопотерь соединительных трубопроводов путем уменьшения их длины; увеличение удельной теплопроизводительности высокоэффективных плоских и вакуумированных коллекторов солнечной энергии до 300—400 кВт/ч(м2 год) в местностях с годовым поступлением солнечной энергии 1000—1100 кВт/ч на 1 метр горизонтальной поверхности.