Солнечные коллекторы


Если вы решились на приобретение и установку у себя гелиосистемы, то перед вами неизбежно встанет дилемма как выбрать солнечный коллектор — самый главный элемент солнечной установки.

На сегодняшний день на рынке представлено огромное количество солнечных коллекторов различные по типу, конструкции, эффективности и стоимости. Выбрать самый оптимальный вариант —  не простая задача. В данной статье мы разберемся в особенностях подбора солнечных коллекторов для гелиосистем, что позволит сделать правильный выбор и ощутить все преимущества использования солнечной энергии.

Солнечный коллектор: сфера применения

Во-первых, следует определиться,  для каких целей вам нужен солнечный коллектор. Обычно, гелиосистема применяется в бытовом секторе для:

Каждый вариант может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом, а так же все вместе. Однако в комбинированных системах, должна быть одна приоритетная цель, на которую и следует ориентироваться выбирая солнечный коллектор.

Основные типы солнечных коллекторов


После того как цели использования определены можно приступать к выбору типа солнечного коллектора. Уверен, что многие из вас слышали об извечном споре – вакуумный или плоский солнечный коллектор. На самом деле явного победителя в этом споре нет. Всё зависит от целей применения солнечной системы, что для каждого конкретного случая. Кроме того, мы пойдем дальше и расширим спектр выбора.

Как известно, существует несколько основных типов вакуумных солнечных коллекторов, которые так же значительно отличаются между собой, поэтому будет более корректно рассматривать каждый тип отдельно.

Для сравнения были выбраны четыре основных типа вакуумных трубчатых коллекторов и один плоский высокоэффективный:

  • Вакуумный трубчатый коллектор с перьевым абсорбером и прямоточным тепловым каналом
  • Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с перьевым абсорбером с тепловой трубкой “heat pipe”
  • U-образный прямоточный вакуумный коллектор с коаксиальной колбой и отражателем
  • Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с коаксиальной колбой и тепловой трубкой “heat pipe”
  • Плоский высокоэффективный солнечный коллектор

Солнечные коллекторы - основные типы


Большинство аргументов за или против того или иного типа коллектора сводятся к весьма абстрактным показателям, таким как: «лучшее восприятия солнечных лучей», «отсутствие теплопотерь», и т.д. Но поскольку у каждого солнечного коллектора есть абсолютно конкретные параметры эффективности, следует доверять именно этим данным для расчета производительности солнечного коллектора в каждом выбранном случае.

Подробнее об этих параметрах и принципе расчета: эффективность солнечного коллектора.

КПД солнечного коллекторы в зависимости от температуры

На графике показана зависимость коэффициента полезного действия гелиосистемы от разницы температуры между окружающим воздухом и теплоносителем в солнечном коллекторе при условии солнечного излучения равного 1000 Вт/м². Для анализа воспользуемся средними параметрами для каждого выбранного типа солнечного коллектора указанными на изображении.

Первая зона с минимальной разницей температуры характерна для режима работы солнечного коллектора для нагрева воды в бассейне. Режим работы гелиосистемы во второй зоне является оптимальным для горячего водоснабжения в круглогодичном режиме. Третья зона соответствует режиму работы солнечных коллекторов для нужд отопления, поскольку температура окружающего воздуха в отопительный период самая низкая. Четвертая зона используется для получения высоких температур используемых в технологических нуждах. В бытовом секторе такой температурный режим работы встречается крайне редко.


Из графика видно, что чем меньше ∆t (фактически это означает — чем ниже температура подачи теплоносителя) тем выше КПД солнечного коллектора. Именно поэтому для гелиосистемы оптимальным является применение низкотемпературных систем отопления таких как «теплые полы».

Плоский коллектор и вакуумные трубчатые коллекторы с плоским перьевым абсорбером имеют более высокую производительность при работе на нагрев бассейна и ГВС за счет оптических свойств, способствующих лучшему поглощению солнечного света. В свою очередь вакуумный солнечный коллектор с коаксиальной колбой лучше работает в отопительный период благодаря лучшей теплоизоляции.

Стоимость солнечного коллектора и полученного тепла

Стоимость солнечных коллекторов варьируется и зависит от множества факторов: качество сборки, материал абсорбера и корпуса, толщина и способ укладки изоляции, толщина стекла и т.д. Чтобы оценить стоимость полученной тепловой энергии от солнечных коллекторов зададимся средней стоимостью одного метра квадратного каждого типа солнечного коллектора. Так же взяв за основу срок эксплуатации 25 лет и условия эксплуатации описанные в примере, можем получить значение стоимости полученного 1 кВт*ч энергии.

Стоимость тепла полученного от солнечного коллектора


Как видим из графика, тепло полученное от прямоточного вакуумного коллектора с перьевым абсорбером является наиболее дорогим. А тепло полученное от плоского солнечного коллектора самое дешевое, соответственно плоские коллекторы  имеют минимальный срок окупаемости.

Однако цена солнечного коллектора не всегда является основополагающим фактором. Более дорогие коллекторы могут иметь больший срок службы и низкие эксплуатационные расходы, связанные с возможными поломками. В связи с этим, можно рассматривать установку как дорогой брендовой техники, так и бюджетных вариантов при определенном уровне начальных капиталовложений.

Выбирая солнечный коллектор, обратите внимание на техническую информацию

Важнейшим фактором для выбора солнечного коллектора является наличие полного технического описания. В первую очередь необходимо знать параметры оптического КПД (ŋ₀), коэффициенты тепловых потерь a₁ (k₁) и а₂ (k₂) и площадь солнечного коллектора (апертурная и общая). Именно эти параметры позволяют оценить эффективность и рассчитать прогнозируемую производительность солнечного коллектора.

Если производитель или продавец по каким-то причинам не предоставляет эти данные, то в итоге мы получаем “кота в мешке” и не сможем оценить энергетический вклад гелиосистемы, поэтому лучше воздержатся от покупки такого изделия. Наличие международного сертификата (например, от швейцарской лаборатории SPF или Solar Keymark) приветствуется, однако не всегда нам продают коллектор именно с заданными в данном документе параметрами. Особенно этим грешат азиатские производители, тут уж мы ничего не сможем проверить,  остаётся только надеяться на порядочность компании производителя или поставщика.

Схема подключения солнечного коллектора в теплое время года.


Простейшая схема подключения коллектора включает в себя следующие компоненты:

—                   непосредственно коллектор;

—                   контур теплообмена;

—                   тепловой аккумулятор (бак, в котором находится нагретая вода).

Плоский солнечный коллектор имеет наиболее простую конструкцию и отлично подходит для использования в жарком климате с большим количеством солнечных дней и соответствующим уровнем инсоляции. Он состоит из слоя абсорбера, покрытого стеклом, который преобразовывает и передает уже тепловую энергию теплоносителю (последний циркулирует в трубках – тепловом контуре).

В регионах с холодным климатом более эффективно использование вакуумного коллектора, особенностью конструкции которого является использование для нагрева вакуумных трубок. Стеклянные трубки, благодаря своей цилиндрической форме, способны улавливать солнечные лучи более длительный промежуток времени (лучше использовать солнечный день), а используемое в их конструкции селективное покрытие улавливает даже рассеянное солнечное излучение. Благодаря этому они имеют большую эффективность в работе при установке в большинстве регионов нашей огромной страны.


В летнее время года, когда значения солнечной инсоляции достигают своего пика, работа солнечного коллектора дает ощутимый результат вне зависимости от того, какой солнечный коллектор используется – плоский или вакуумный.

В это время года в качестве теплоносителя можно смело использовать воду (это также относится к регионам с «мягкой» зимой), которая нагревается полученной от абсорбера энергией и подымается по трубам вверх, поступая в бак-аккумулятор. Бак подключен к кранам вывода воды, поэтому при открытии вентиля горячая вода из бака выходит и замещается холодной. Вода более низкой температуры скапливается в нижней части бака и выходит в контур системы через соответствующую трубу. Она вновь нагревается от полученной энергии и поступает в бак. В самом накопителе труба забора, через которую происходит подача горячей воды для пользования, должна быть расположена у верхней части бака (из-за меньшей плотности теплая вода подымается вверх).

Такой водный бак-аккумулятор можно располагать как на улице, так и в помещении. Наиболее распространенный и простой вариант в первом случае – водяной душ. Окрашенный в черную краску бак самостоятельно притягивает тепло и еще больше нагревает воду. Чтобы избежать теплопотерь в ночное время, бак необходимо теплоизолировать.

Такая простейшая схема подключения солнечного коллектора обеспечивает лишь естественную (и не всегда достаточную) циркуляцию теплоносителя. Увеличить продуктивность работы системы можно с помощью циркуляционного насоса.


Повышаем эффективность работы солнечного коллектора в холодную пору.

Использование простой системы для отопления и горячего водоснабжения в зимнее время возможно, если в качестве теплоносителя применяется антифриз, а бак-накопитель дополнен вспомогательным обогревательным элементом (например, ТЭНом). При использовании антифриза изменяется конструкция бака – в него монтируется змеевик (чаще всего медный), благодаря которому происходит циркуляции теплоносителя в баке. Хорошая проводимость металла позволяет отдавать тепло антифриза воде в баке.

В конструкцию рекомендуется включить циркуляционный насос и расширительный бак. Иногда для разделения воды, которая используется для отопления (техническая) и личного использования (питьевая) в бак монтируют внутренний резервуар. Он располагается в верхней части бака (где собирается горячая вода) и подключен к системе водоснабжения (с помощью вентиля забирается горячая вода, а резервуар заполняется холодной жидкостью). При этом система отопления подключена к основному баку.


В зависимости от внешней температуры, площади коллектора, географической точки, времени года, типа коллектора, и множества других факторов колеблется и эффективность работы системы (т.е. стабильность вырабатываемого уровня энергии).

Кроме более привычных пользователям устройств, существует и воздушный солнечный коллектор, схема работы которого предполагает, что теплоносителем в системе является воздух, который нагревается от абсорбера и подается в отапливаемое помещение с помощью вентилятора.

Солнечный коллектор представляет собой аппарат для преобразования энергии светового (и теплового) излучения в тепло. Для удобства мы будем рассматривать СК с полезной площадью абсорбера 1 м², находящийся в закрытом корпусе. Максимальная энергия попадает на СК, когда лучи солнца перпендикулярны его плоскости. В зависимости от географического положения общее количество энергии сильно разнится, мы так же для удобства, предположим солнечный день в несеверных широтах и будем считать количество световой энергии, падающей на солнечный коллектор, 1 КВт.

Почти вся эта энергия преобразуется солнечным коллектором в тепловую. Далее часть полученной тепловой энергии уходит через корпус в окружающую атмосферу, а остальная передается теплоносителю. Закон сохранения энергии говорит, что количество полезной полученной тепловой энергии равно количеству упавшей на абсорбер солнечной энергии (которую можно примерно оценить) минус количество потерянной энергии.


Попробуем определить количество теряемой энергии, чтобы понять, как можно повысить эффективность СК.

Теплопотери идут непосредственно через корпус, а также тепловым излучением через остекление изнутри.

Для уменьшения обратного теплового излучения поверхность абсорбера покрывается специальным селективным покрытием или просто красится в черный цвет. По оценкам, селективное покрытие сохраняет 5%-10% полученной энергии.

В случае открытого СК («черная бочка») теплопотери идут также через конвекцию воздуха. При этом происходит «соревнование» — насколько быстрей абсорбер сумеет отдать тепло теплоносителю, чем его заберет атмосферный воздух, и высокая теплопроводимость материалов играет здесь решающую роль. В случае герметичного СК такого не наблюдается, и получается с первого взгляда парадоксальный вывод, что в герметичном СК не важно из чего делать трубки для теплоносителя – из меди или полипропилена. Так же, вроде бы, не важно, крепить трубки к абсорберу или нет – все равно полученное тепло рано или поздно перейдет в теплоноситель. Однако это не совсем так – при медленной теплоотдаче теплоносителю происходит излишний нагрев абсорбера СК. При увеличении разницы внутренней и внешней температур увеличиваются потери в окружающую среду через корпус и падает КПД.

В случае с вакуумными трубками теплопотери идут через места их соединений и обратное тепловое излучение самих трубок. Теоретически, на плоском хорошо теплоизолированном СК можно получить больше энергии, чем с СК на вакуумных трубках, так как полезная площадь съема солнечной энергии у второго СК сильно меньше, чем у первого.


Итак, увеличение КПД солнечного коллектора возможно:

1. Увеличением светового потока (ориентация СК на солнце, уменьшение потерь на стекле);
2. Уменьшением теплопотерь через корпус СК.

Посчитаем теплопотери через корпус коллектора.

Сопротивление теплопередаче ограждения, Rо, состоит из трех отдельных сопротивлений:

1. Rв — сопротивление тепловосприятию, сопротивление при переходе теплоты от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения, Rв=0,115 м² • °С/Вт (постоянная величина);

2. R — термическое сопротивление ограждения, сопротивление при переходе теплоты через толщу самого ограждения;

3. Rн — сопротивление теплоотдаче, сопротивление при переходе теплоты от наружной поверхности ограждения к наружному воздуху, Rн=0,043 м² • °С/Вт (постоянная величина);

Т. о. формула сопротивления теплопередаче ограждения выглядит:

Термическое сопротивление ограждения, R, прямо пропорционально толщине слоя, δ — м, и обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности, применяемого материала, λ — Вт/(м• °С),

а это означает, что термическое сопротивление ограждения тем выше, чем больше толщина применяемого утеплителя, и чем ниже коэффициент его теплопроводности.

Рассчитаем термическое сопротивление задней и боковых стенок корпуса СК, выполненных из 10-и сантиметрового пенопласта:

R = 0,1м ⁄ 0,05Вт/(м•°С) = 2 м² • °С/Вт​
Rв и Rн относительно малы, и ими можно пренебречь.

Далее рассмотрим формулу для вычисления теплопотерь:

где:

Q — количество тепла, которое теряет 1 м² корпуса, измеряемое в ваттах на квадратный метр (Вт/ м²);
dT – разница температур в градусах Цельсия (°С);
R – термическое сопротивление (°С· м²/Вт).

В случае с нашим пенопластовым корпусом при dT = 50 °С получим Q = 25 Вт/ м². С учетом боковых стенок в итоге имеем порядка 40 Вт. То есть, из 1 КВт солнечной энергии 40 Вт будут теряться через стенки корпуса. При уменьшении толщины стенок в два раза, потери вырастут так же в два раза. При увеличении разницы температур внутри корпуса и снаружи в 2 раза, потери так же вырастут в два раза.

Теперь рассмотрим остекление. Допустим у нас качественный однокамерный стеклопакет 4M1-16-4M1. Его термическое сопротивление по ГОСТу — 0.35 м² • °С/Вт. При dT = 50 °С получим Q = 143 Вт/ м².

Посчитаем потери через обычное стекло толщиной 4 мм. Его термическое сопротивление – 0,005 м² • °С/Вт. В данном случае Rв и Rн важны. Общее R = 0,163 м² • °С/Вт. При разнице температур в 50 °С получим потери в 300 Вт/ м².

У сотового поликарбоната толщиной 6 мм показатели примерно аналогичны однокамерному стеклопакету.

Однако нужно учитывать, что стеклопакет сильно уменьшает светопоток при косых лучах солнца. Использование стеклопакета даст хороший выигрыш вкупе с системой позиционирования СК.

Как видно, теплоизолированный корпус – очень важная составляющая солнечного коллектора. Задняя и боковые стенки особо не вызывают затруднений, а вот выбор остекления не столь однозначен.

Теплопотери через корпус напрямую зависят от разницы температур внутри корпуса и снаружи. Таким образом, основным способом повысить эффективность солнечного коллектора при данном корпусе и системе позиционирования на солнце (или ее отсутствии) является снижение температуры внутри него.


Использованные источники

  1. solarsoul.net/kak-vybrat-solnechnyj-kollektor
  2. du-alex.ru/solnechnye-kollektory/280-skhema-solnechnogo-kollektora-obshchie-printsipy-i-osobennosti
  3. forumhouse.ru/threads/302561/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.