Статья: Cолнечные коллекторы – (Часть 1). Принцип работы и типология

Горячее водоснабжение. Отопление Промышленное использование Открытые коллекторы Вакуумные коллекторы Плоские солнечные коллекторы Открытая схема с естественной циркуляцией Открытая схема с принудительной циркуляцией Закрытая схема с принудительной циркуляцией и электронным управлением

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

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.
Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спектральном интервале 0.4 мкм -1.8мкм (рис. 8 а), то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное или закаленное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95% (рис. 8 б). Расположенное в нижней части коллектора теплопоглощающее покрытие имеет коэффициент поглощения солнечного излучения до 90%. Нагреваясь, покрытие излучает тепловую энергию, основная мощность которого находится в инфракрасном диапазоне (рис. 8 с). Как видно из рисунка, данный спектр излучения уже практически не пропускается стеклом.

Таким образом, достигается аккумуляция солнечной энергии внутри коллектора. Передача теплоты к теплоносителю осуществляется при помощи конструктивных элементов, выполненных, как правило, из алюминия или меди. Отвод теплоты осуществляется теплоносителем – водой или раствором незамерзающей жидкости.
Кроме обычного стекла, 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, представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 Схема парникового эффекта и тепловых потерь в плоском солнечном коллекторе
Важной характеристикой солнечных коллекторов является производство горячей воды с 1 м2 поверхности. Для Украины, в летний солнечный день производительность плоских коллекторов может достигать 50 литров воды, нагретой до 50 – 60 оС с 1 м2 в день. высокая эффективность;
относительная простота конструкции;
надежность;
возможность эффективной эксплуатации на протяжении всего года;
длительный срок эксплуатации.
Недостатки:
· 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 конвектора 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 поглощенной;
— 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).

Обозначения:
1 – вакуумный трубчатый коллектор
2 – плоский коллектор с селективным покрытием
3 – открытый коллектор
Промежуточный вывод
В настоящий момент, наиболее перспективными в условиях Украины являются плоские солнечные коллекторы горячего водоснабжения, вследствие всесезонности, простоты и надежности конструкции при невысокой цене в этом сегменте оборудования.