Как работают солнечные коллекторы различных видов. Солнечные коллектора
Солнечный коллектор - это... Что такое Солнечный коллектор?
Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.
Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.[1]
Типы солнечных коллекторов
Плоские
Плоский солнечный коллекторПлоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрным цветом либо спецраствором, для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурит). Трубки, по которым распространяется вода, изготавливаются из сшитого полиэтилена (PEX) либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком.[2]
При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—200 °C.
Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности, поскольку применение меди против алюминия даёт выигрыш 4% (хотя теплопроводность алюминия вдвое меньше, что означает значительное превышение "запаса мощности" по теплопередаче), что незначительно в сравнении с ценой)[источник не указан 51 день] Используется также аллюминиевый экран.[2]
Вакуумные
Вакуумный солнечный коллекторВозможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.
Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.
Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.
Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.
Устройство бытового коллектора
Теплоноситель (вода, воздух или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.
В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе и баке-аккумуляторе, который располагается выше.
В более сложном варианте коллектор имеет свой контур, заполненный водой или антифризом. В контур включается насос для циркуляции теплоносителя. Бак может располагаться как непосредственно рядом с коллектором, так и внутри здания.
В тех случаях, когда солнечной энергии недостаточно, температуру воды на нужном уровне поддерживает дополнительный электрический нагревательный элемент, который устанавливают за баком-аккумулятором. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.
Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.[1]
Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов
| + | + |
| Низкие теплопотери | Способность очищаться от снега и инея |
| Работоспособность в холодное время года до -30С | Высокая производительность летом |
| Способность генерировать высокие температуры | Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата |
| Длительный период работы в течение суток | Возможность установки под любым углом |
| Удобство монтажа | Меньшая начальная стоимость |
| Низкая парусность | |
| Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата | |
| - | - |
| Неспособность к самоочистке от снега | Высокие тепло потери |
| Относительно высокая начальная стоимость проекта | Низкая работоспособность в холодное время года |
| Рабочий угол наклона не менее 20° | Сложность монтажа связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора |
| Высокая парусность |
Солнечные коллекторы-концентраторы
Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.
Солнечные воздушные коллекторы
Солнечные воздушные коллекторы - это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы представляют собой чаще всего простые плоские коллекторы и используются в основном для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель. В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые увеличивают турбулентность воздуха и улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом, избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности. Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает. Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов. Коллекторы предназначены для обогрева помещений в условиях достаточной солнечной освещенности и при отсутствии (или параллельно с ними) других источников энергии (таких как газ, электричество, жидкое и твёрдое топливо). Коллекторы не могут быть основной системой отопления, так как не обеспечивают постоянных характеристик, как в течение суток, так и при смене сезонов года. Однако система может быть интегрирована в любую существующую систему отопления и вентиляции.
Применение
Солнечный водонагреватель на жилом доме. Мальта.Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.
В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².
Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.
Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды[3]
В России
По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии – до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80%, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.
Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел. На Кипре эксплуатируется около 800 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., в Германии 140 м²/1000 чел.
В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы.
Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы, поскольку больше разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости.[1]
Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.[4]
Солнечные башни
Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.
Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.
В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.
Параболоцилиндрические концентраторы
Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.
В 1913 году Франк Шуман (Frank Shuman) построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту[5].
Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C[6].
Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.
С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.
Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.
В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.
Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.
Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.
Параболические концентраторы
Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.
В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга [7].
В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 % [8].
В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.
Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.
Линзы Френеля
Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.
Распространение
В 2010 году во всём мире работало 1170 МВт солнечных термальных электростанций. Из них в Испании 582 МВт и в США 507 МВт. Планируется строительство 17,54 ГВт солнечных термальных электростанций. Из них в США 8670 МВт, в Испании 4460 МВт, в Китае 2500 МВт[9]. В 2011 году насчитывалось 23 производителя и поставщика плоских коллекторов из 12 стран; 88 производителей и поставщиков вакуумных коллекторов из 21 страны.[10]
Примечания
См. также
Ссылки
Литература
- А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988
- Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966
- Солнечный душ\\Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 №1, стр 131
- Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990
dic.academic.ru
Солнечный коллектор — WiKi
Типы солнечных коллекторов
Плоские
Плоский солнечный коллекторПлоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Абсорбер связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрной краской либо специальным селективным покрытием (обычно чёрный никель или напыление оксида титана) для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурат). Трубки, по которым распространяется теплоноситель, изготавливаются из сшитого полиэтилена либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком.
При отсутствии забора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—210 °C[источник не указан 410 дней].
Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.
Вакуумные
Вакуумный солнечный коллекторВозможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.
Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство, схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95 % улавливаемой тепловой энергии.
Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.
Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.
Устройство бытового коллектора
Теплоноситель (вода, воздух, масло или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.
В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.
Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.[1]
Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов
| Преимущества | Преимущества |
| Низкие теплопотери | Способность очищаться от снега и инея |
| Работоспособность в холодное время года до −30С | Высокая производительность летом |
| Способность генерировать высокие температуры | Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата |
| Длительный период работы в течение суток | Возможность установки под любым углом |
| Удобство монтажа | Меньшая начальная стоимость |
| Низкая парусность | |
| Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата | |
| Недостатки | Недостатки |
| Неспособность к самоочистке от снега | Высокие теплопотери |
| Относительно высокая начальная стоимость проекта | Низкая работоспособность в холодное время года |
| Рабочий угол наклона не менее 20° | Сложность монтажа, связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора |
| Высокая парусность |
Солнечные коллекторы-концентраторы
Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.
Солнечные воздушные коллекторы
Основная статья: Солнечный нагреватель воздуха
Солнечные воздушные коллекторы — это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы чаще всего используются для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора.
В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.
Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.
Применение
Солнечный водонагреватель на жилом доме. Мальта.Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.
В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².
Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.
Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды[2]
В России
По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии — до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80 %, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.
Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел.. В Германии эксплуатируется 140 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., на Кипре около 800 м²/1000 чел..
В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы.
Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы или плоские коллекторы с высокоселективным покрытием, поскольку больше разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости.[1]
Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.[3]
Солнечные башни
Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.
Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.
В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.
Параболоцилиндрические концентраторы
Параболоцилиндрические концентраторы.Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.
В 1913 году Франк Шуман построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту[4].
Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C[5].
Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.
С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.
Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.
В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.
Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.
Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.
Параболические концентраторы
Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.
В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга[6].
В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 %[7].
В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.
Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.
Линзы Френеля
Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.
Распространение
В 2010 году во всём мире работало 1170 МВт солнечных термальных электростанций. Из них в Испании 582 МВт и в США 507 МВт. Планируется строительство 17,54 ГВт солнечных термальных электростанций. Из них в США 8670 МВт, в Испании 4460 МВт, в Китае 2500 МВт[8]. В 2011 году насчитывалось 23 производителя и поставщика плоских коллекторов из 12 стран; 88 производителей и поставщиков вакуумных коллекторов из 21 страны.[9]
См. также
Примечания
Литература
- А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988
- Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966
- Солнечный душ // Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 № 1, стр 131
- Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990
Ссылки
ru-wiki.org
Как правильно выбрать солнечный коллектор. Инфографика | Блог SolarSoul
Если вы решились на приобретение и установку у себя гелиосистемы, то перед вами неизбежно встанет дилемма как выбрать самый главный элемент солнечной установки — солнечный коллектор.
На сегодняшний день на рынке представлено огромное количество солнечных коллекторов от множества производителей различные по типу, конструкции, эффективности и стоимости. Выбрать самый оптимальный вариант может стать не простой задачей. В данной статье мы постараемся разобраться в особенностях подбора солнечных коллекторов для гелиосистем, это позволит вам 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:
- горячее водоснабжение
- поддержка отопления
- подогрев воды в бассейне
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 подбирая солнечный коллектор.
Основные типы солнечных коллекторов
После того как цели использования определены можно приступать к подбору 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 более подходящим может быть тот или иной вариант. 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
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.
На графике показана зависимость коэффициента полезного действия 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 мы видим, 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.
Производительность солнечных коллекторов
Следующая диаграмма позволяет оценить среднюю производительность коллекторов за год и за отопительный период (нижняя часть столбца).
Данные о количестве выработанной энергии получены при помощи расчета, в программе позволяющей смоделировать работу солнечной системы за год. В расчетах используются усредненные данные по солнечному излучению и погоде для города Днепропетровска. Расчеты приведены к 1 м² апертурной площади каждого типа коллектора.
Диаграмма позволяет оценить максимальную эффективность при непрерывной работе солнечной системы во время всего года. На практике такие условия практически невозможны и не всегда отображают реальную картину производительности солнечного коллектора.
Для расчета реальной производительности воспользуемся примером. Смоделируем предполагаемый случай применения гелиосистемы для нужд горячего водоснабжения в круглогодичном режиме и поддержки системы отопления теплыми полами со следующими параметрами:
- площадь отопления – 200 м²;
- теплопотери – современная постройка с высоким уровнем теплоизоляции 50 Вт/м² площади;
- место расположения – Киев;
- ГВС – 200 л в сутки;
- апертурная площадь коллекторов – 30 м² ;
На графике видно, что при используя солнечный коллектор для отопления более важным является низкие тепловые потери. При этом хорошие оптические характеристики дают прирост выработки тепла в межсезонье, когда средняя температура воздуха выше, но всё еще необходимо отопление.
В итоге получаем реальную производительность гелиосистемы за год.
Стоимость солнечного коллектора и полученного тепла
Стоимость солнечных коллекторов может значительно варьироваться 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.
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
Очень важным фактором для выбора солнечного коллектора является наличие полного технического описания. Наиболее интересные для нас будут значения параметров 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.
В заключении, предлагаем вашему вниманию полную инфографику «как правильно выбрать солнечный коллектор». (Кликните для увеличения изображения).
Поделиться "Как выбрать солнечный коллектор: Инфографика"
Рекомендуемые статьи
solarsoul.net
Солнечные коллекторы - энергия тепла
Добрый день дорогие читатели, Зеленая планета вместе с вами продолжает открывать тему — альтернативные источники энергии, и сегодня мы расскажем об использовании солнечной энергии для получения тепла, с помощью солнечных тепловых коллекторов.
Что такое солнечные коллекторы?
Использование солнечной энергии начинается с тепловых коллекторов. Солнечными тепловыми коллекторами называют устройства, в которых происходит преобразование света в тепло с помощью специальных элементов – поглотителей излучения.Такие коллекторы не способны непосредственно производить электроэнергию, как полупроводниковые солнечные батареи. Они предназначены лишь для нагрева жидкости – теплоносителя и с успехом используются в системах снабжения горячей водой и отопления жилья. Также они используются и в солнечных электростанциях как основные элементы.
Виды солнечных тепловых коллекторов
Коллекторы солнечные подразделяются на два вида:
- Плоские
- Вакуумные
1. Плоский солнечный коллектор
Плоский коллектор представляет собой обычный приёмник солнечного тепла, состоящий из плоского резервуара-поглотителя излучения, надёжно упакованного в теплоизолированный корпус с прозрачной поверхностью. Прозрачная сторона плоского коллектора должна быть обращена к солнцу, и чем перпендикулярнее направление хода световых лучей к его поверхности, тем эффективнее работает коллектор, выше его КПД.
Большую роль в устройстве плоского коллектора играет покрытие теплоприемника. Чем ближе оно по цвету к абсолютно чёрному телу, тем интенсивнее поглощение и преобразование солнечного излучения в тепло, меньше отражение. Технология производства этих покрытий постоянно совершенствуется, пройдя путь промышленной эволюции от обычных чёрных красителей до селективного покрытия — чёрного никеля. Также важен прозрачный экран солнечной стороны. Надёжнее его изготавливать или из прочного закалённого стекла, или поликарбоната.
Резервуар плоского коллектора связан трубчатыми подводами теплоносителя с системой отопления, циркуляция жидкости в которой обеспечивается насосом.
Как корпус теплоприемника, так и теплоотводящие трубки должны быть надёжно защищены от потерь тепла. Для этой цели можно с успехом использовать различные теплоизолирующие материалы, выпускаемые современной промышленностью.
Вакуумный солнечный коллектор
Вакуумные солнечные коллекторы — это вид коллекторов, которые представляют собой более сложное техническое устройство с высоким КПД. Основными элементами коллектора являются тепловые трубки, по конструкции схожие с бытовым термосом. Отличие лишь в том, что наружная сторона каждой колбы — трубки прозрачна, а на внутреннюю её поверхность нанесено светопоглощающее покрытие.
В пространстве между наружной и внутренней поверхностями создаётся неглубокий вакуум, который и предохраняет весь коллектор от возвратных потерь тепла за счёт конвекции. Такая конструкция теплоприемника позволяет снизить потери при преобразовании энергии до 5%. Это очень важно для тех случаев, когда тепловая система работает в условиях недостаточного освещения или низкой температуры окружающего воздуха.
Солнечные системы теплоснабжения.
Используя отдельные коллекторы, собирается тепловой блок требуемой мощности. При увеличении площади покрытия возможен практически бесконечный рост производительности таких солнечных батарей.Нагретый теплоноситель из коллекторов закачивается в бак – гидроаккумулятор, из которого производится забор горячей воды потребителями. При коротком отопительном контуре возможна естественная циркуляция воды в магистрали, что дополнительно повышает общий КПД системы. В более сложных системах циркуляционные потоки создаёт насос.
Традиционное солнечное теплоснабжение реализуется в двух вариантах систем:• Одноконтурные системы, в которых вода непосредственно из коллекторов поступает в тепловую магистраль;• Двухконтурные системы, где в контуре коллекторов циркулирует теплоноситель, отдающий в теплообменнике энергию водяному контуру.
Двухконтурные системы солнечного теплоснабжения хороши тем, что в условиях низких температур расположенный вне здания первый контур с коллекторами может быть заполнен незамерзающей жидкостью. В этом случае ночные холода системе не страшны.
Преобразование энергии солнца в электроэнергию.
Используя солнечные коллекторы и параболические системы зеркал большой площади, можно производить нагрев теплоносителя до высокой температуры. Когда эта температура значительно превышает температуру кипения воды, возникают условия для работы паровой турбины. Так работают некоторые солнечные тепловые электростанции. Водяной пар под давлением вырывается из котла и, попадая в сопло турбины, вращает ротор электрогенератора.
Несколько по-иному устроены солнечные панели. За счёт внутреннего фотоэффекта в них излучение солнца непосредственно превращается в электроэнергию.
При наличии аккумуляторов большой накопительной способности электроэнергия может использоваться не только в дневное время, но и ночью. Устанавливать такие батареи можно везде, куда беспрепятственно проникает свет, но для средних широт в северном полушарии наилучшим местом является южная крыша дома.
Ещё одним видом является солнечная тепловая электростанция, использующая в своей конструкции двигатель Стирлинга. От двигателей внутреннего сгорания этот двигатель отличается простотой конструкции и всеядностью по отношению к источникам тепла. Экономичный, экологичный и долговечный, он имеет высокий КПД и вполне подходит для схем, использующих преобразование энергии солнца в механическую энергию, а затем уже и в электричество.
модель двигателя Стирлинга
Источником тепла для двигателя Стирлинга в солнечной электростанции может быть как горячий жидкий теплоноситель, так и разогретый в коллекторах воздух. Двигатель не имеет выхлопа, бесшумен и высокопроизводителен, как в генераторах с вращающимися элементами, так и с возвратно-поступательным движением магнитов.
greenplaneta.org
Принцип работы солнечного коллектора (в зависимости от его типа)
Принцип работы солнечных коллекторов основан на трансформации лучистой энергии солнца в тепловую энергию. Происходит это путем нагревания циркулирующего в коллекторе теплоносителя (чаще всего воды, иногда – антифриза) и последующей передачи накопленного тепла. Иными словами, солнечный коллектор работает как своего рода водонагреватель, что и определило его сферу применения (ГВС частных домов, отопление).
Общий принцип водонагрева
Существуют различные виды гелиоколлекторов, однако в водонагревательных установках все они работают по одной схеме. Солнечные лучи нагревают теплоноситель, который по тонким трубкам поступает в заполненный водой бак. Трубки с теплоносителем проходят через весь внутренний объем бака и нагревают находящуюся в нем воду. В дальнейшем эта вода расходуется на бытовые нужды (отопление, ГВС и т.д.). Температура воды в баке контролируется специальными датчиками, при ее охлаждении ниже заданного минимума автоматически включается резервный подогрев (обычно – газовый или электрокотел).
Такова общая схема работы всех солнечных водонагревательных установок. Что же касается работы плоских и вакуумных коллекторов, то, несмотря на единый принцип действия (нагрев теплоносителя от солнца и последующую отдачу тепла), в их работе много различий.
Плоские коллекторы
Плоский солнечный коллектор нагревает теплоноситель при помощи пластинчатого абсорбера. Устроен он довольно просто. По сути, это пластина теплоемкого металла, выкрашенная сверху в черный цвет специальной краской. К нижней поверхности пластины плотно прилегает (приваривается) змеевидная трубка, по которой и циркулирует жидкость.
Черная селективная краска обеспечивает максимальное поглощение солнечных лучей, причем их отражение практически равно нулю. Поглощенные лучи прогревают теплоноситель под абсорбером, он, в свою очередь, подается далее в систему. Для минимизации теплопотерь применяются теплоизоляция абсорбера от корпуса коллектора и закаленное стекло, почти не содержащее окислов железа. Оно устанавливается над абсорбером и выполняет функцию верхней крышки корпуса. Кроме того, использование подобного стекла позволяет создать своеобразный «эффект парника», что еще больше увеличивает прогрев абсорбера, а значит, и температуру теплоносителя.
Вакуумные коллекторы
Принцип работы вакуумных коллекторов иной. Объясняется это прежде всего разницей в конструкции. Главным рабочим элементом в вакуумных моделях является не пластина абсорбера, а система вакуумированных трубок и теплосборник. Причем вариантов конструкций таких трубок несколько.
Тем не менее, несмотря на конструктивные различия, общая схема действия таких трубок фактически одинакова. Стеклянная поверхность поглощает максимум солнечных лучей благодаря специальному высокоселективному покрытию. Энергия солнца нагревает внутренний теплоноситель, а вакуумная прослойка ликвидирует теплопотери, так как вакуум – лучший изолятор. Через теплосборник аккумулированное тепло поступает далее в систему и используется для нагрева воды в баке-накопителе.
В целом коллектор этого типа обеспечивает более высокую производительность по сравнению с плоским аналогом.
Вакуумные трубки
Устройство классической вакуумированной трубки довольно просто. Она представляет собой двухстенную стеклянную колбу, между стенками которой создан вакуум. Внутри расположен медный сердечник (тепловой канал). Такая трубка называется «коаксиальной». Еще один вид - так называемые «перьевые трубки», одностенные колбы с вакуумом в самом тепловом канале.
Принцип работы вакуумной трубки зависит от особенностей строения ее теплового канала и от типа самой колбы. Каналы же, как и колбы, бывают двух видов, прямоточные и типа heat pipe.
Действие прямоточных каналов основано на непосредственном протекании теплоносителя через U-образную медную трубку. Охлажденная жидкость попадает в трубку из теплосборника, проходит через нее, нагревается и возвращается в теплосборник. Там она отдает накопленное тепло основному теплоносителю и возвращается в трубку.
Трубка heat pipe работает несколько иначе. Принцип ее работы основан на переносе тепла посредством легко испаряющейся жидкости, заключенной в тепловом канале. Сам канал (трубка) выполняется из теплоемкого металла (алюминий, медь). Солнечный свет нагревает жидкость, она испаряется из нижнего конца трубки и конденсируется в теплосборнике. Конденсат стекает вниз, где его вновь разогревает солнечный свет. Основной теплоноситель забирает тепло из теплосборника и передает его через коллектор дальше в систему.
Теплосборник
Помимо трубок, вакуумный солнечный коллектор оснащен теплосборником, которые необходим для передачи тепла от трубок к теплоносителю. Размещается теплосборник в верхней части агрегата. Принцип его работы следующий. Медный сердечник передает накопленную энергию основному теплоносителю, циркулирующему в замкнутом круге «теплообменник бака – коллектор». Циркуляцию обеспечивает специальный небольшой насос. Причем если температура теплоносителя упадет ниже определенного минимума (например, ночью), то управляющая автоматика водонагревательной системы отключит насос. Таким образом предотвращается обратный прогрев, при котором теплоноситель будет забирать тепло горячей воды в накопительном баке.
Воздушные коллекторы
Солнечный коллектор воздушного типа гораздо менее распространен. Применяется он не для подогрева воды, а для нагрева и кондиционирования воздуха. Роль теплоносителя в нем играет собственно воздух, нагреваемый солнечными лучами. По сути, данный коллектор представляет собой ребристую металлическую панель, выкрашенную в черный цвет. Принцип работы его основан на естественной или принудительной подаче в помещения воздуха, который прогревается под панелью под действием солнечных лучей.
solarb.ru
Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает.
Оглавление статьи
Всем привет! Давно хотел рассказать про гелиосистемы и солнечные коллектора, но все как-то было не до того. Хотя тема очень интересная и продвинутая (экология + экономия денег). Системы на основе солнечных коллекторов разных видов очень популярны в Европе и США. Там установка такого оборудования может даже субсидироваться государством. В нашей стране с ее климатом, гелиосистемы можно успешно применять не только на юге, где много солнечных дней. Современные технологии повысили эффективность солнечных коллекторов, по этой причине появилась возможность их применения в средней полосе России и не только летом, но и зимой. Давайте подробно рассмотрим гелиосистемы и начнем, как обычно, с определения.
Что такое гелиосистема?
Это инженерная система, в которой происходит преобразование энергии солнечного излучения в тепло для отопления или горячего водоснабжения. Основным элементом такой системы является специальное устройство — коллектор. О них мы поговорим ниже.
Виды и устройство солнечных коллекторов.
Их существует несколько видов отличающихся по конструктивному исполнению. Начну их перечислять последовательно от простых к более сложным.
Термосифонные солнечные коллекторы.
Наиболее простой и дешевый вид такого оборудования, рассчитанный на работу только в теплый сезон. Поэтому такие системы называют сезонными. Они делаются в двух вариантах:
- Работающие без давления — вода в них циркулирует только под действием гравитационных сил. По этой причине такие коллектора могут устанавливаться только выше уровня точек разбора. Обычно, их ставят на крышах домов или на специальных башнях, похожих на опоры ЛЭП.
- Работающие под давлением — здесь циркуляция обеспечивается специальными насосами. Такое оборудование может быть установлено на уровне и даже ниже точек разбора в любом удобном и хорошо освещенном месте.
Кроме этого, есть еще различия в способе нагрева воды. Таких способов 2:
- Прямой — внутри коллектора нагревается, которая подается непосредственно потребителю.
- Косвенный — нагрев потребляемой воды происходит при помощи теплообменника. Теплообменник находится внутри верхнего бака-аккумулятора.
Для понятности добавим сюда следующую картинки:
Прямой нагрев воды
Косвенный нагрев воды.
Более всего в этих устройствах интересны трубки, в которых происходит нагревание воды. В современных коллекторах они делаются из специального высокопрочного стекла. Трубка по строению похожа на стеклянную колбу термоса — она имеет две стенки, между которыми создается вакуум. Внутренняя трубка покрывается напылением, уменьшающим отражение солнечного излучения. Это позволяет доводить температуру теплоносителя до 300° Цельсия. Такие температуры возможны только при повышенном (больше атмосферного) давлении.
Плоские солнечные коллекторы.
Грубо говоря, это ящик, дно которого утеплено пенополиуретаном, а верх закрыт толстым ударопрочным стеклом (на случай града и других неприятностей). Между этими двумя слоями находится абсорбер — теплообменник, который нагревается солнцем. Он покрашен специальной краской, уменьшающей отражение солнечных лучей. Внутри плоского коллектора может быть создан вакуум, что увеличит его КПД, но это условие не обязательно. То есть вакуума может и не быть. Схему устройства смотри ниже:
В отличие от термосифонных, плоские коллектора можно использовать и в холодное время года. Для этого внутри них должен циркулировать специальный антифриз для отопления. В этом случае приборы подключаются к бойлеру косвенного нагрева. Выглядит это примерно так:
Здесь использован специальный бойлер с двумя теплообменниками. Если вместо бойлера будет теплоаккумулятор, то мы получим систему отопления с поддержкой от солнечной энергии. Такая хитрость будет недешево стоить, но со временем окупится. Ведь вы будете экономить на топливе для котла. Лично я считаю, что такое решение имеет право на существование.
Гибридные солнечные коллекторы.
Еще одним видом коллекторов являются гибридные. Главным их отличием от плоских является то, что в них помимо нагрева воды осуществляется еще и выработка электрической энергии. На мой взгляд, это удачная идея совместить эти две функции в одном устройстве. Крыша ведь у дома всего одна и площадь, на которой можно разместить эти коллектора достаточно ограничена, а тут одним выстрелом убивают двух зайцев.
Но не все так просто, фотоэлектрические элементы не любят повышенной температуры. Поэтому температура теплоносителя не должна превышать порога в 50° Цельсия. Для ГВС, например, этого будет мало. В принципе, теплоноситель с такой температурой можно использовать для теплых полов и тепловых насосов. Функция выработки электричества тоже страдает. Как известно, все универсальное хуже специального. Еще одним существенным их недостатком для нашего потребителя можно назвать их высокую стоимость. В нашей стране, к сожалению, не субсидируют применение энергоэффективных технологий
Итоги.
Если вы живете в местности, где солнце светит много дней в году, то применение различных вариантов подобных систем может сэкономить вам приличные деньги. Разумеется, это оборудование стоит дорого и должно быть установлено грамотными людьми, но за свой срок эксплуатации оно сэкономит вам тысячи киловатт часов или кубометров газа, которые вы должны были бы потратить на подогрев воды или другие цели. Думайте сами, решайте сами. На этом все, если есть вопросы, то пишем их в комментариях.
znayteplo.ru
Солнечные коллекторы. Какие они бывают?
Классический солнечный коллектор представляет собой металлические пластины черного цвета, установленные на крыше дома. Цвет и положение коллектора предполагает максимальное поглощение и накапливание солнечной энергии. Эти металлические пластины помещаются в корпус, изготовленный из стекла или пластмассы. Наклон к южной стороне, при установке позволит увеличить количество поглощаемой радиации. Проще говоря, солнечный коллектор – это миниатюрная теплица, которая накапливает солнечную энергию под стеклянной панелью. Солнечная радиация распределяется по поверхности равномерно, по этому, чем больше площадь коллектора, тем больше энергии будет поглощено.
На сегодняшний день солнечная энергетика развита достаточно обширно, это дает возможность устанавливать солнечные панели различных комплектаций и размеров. Этот аспект позволяет солнечным коллекторам обеспечивать хозяйственные нужды человека, такие как отопление и снабжение горячей водой.
К примеру, существует несколько отдельных видов солнечных коллекторов, которые различаются, в зависимости от температуры, до которой они способны достигать:
- Коллекторы низких температур. Такие коллекторы дают достаточно низкие температуры – не выше 50 С. Такие коллекторы, широко применяются для подогрева воды в бассейнах, и в других случаях, когда не требуется слишком высокая температура воды.
- Коллекторы средних температур. Такой тип коллекторов способен нагревать воду от 50 до 80 С. Зачастую, такой коллектор представляет собой плоскую остекленную пластину, в которой с помощью жидкости происходит теплопередача или же это коллекторы-концентраторы. В последних тепло концентрируется и может использоваться для нагрева воды в жилых секторах.Представлен коллектор-концентратор, в большинстве случаев, вакуумированным трубчатым коллектором
- Коллектор высоких температур. Зачастую имеют форму параболических тарелок. Такое устройство, в большинстве случаев используется большими предприятиями, которые генерируют электричество и распределяют его для городских электросетей
Интегрированный коллектор
Накопительный интегрированный коллектор
На данный момент одним из самых простых видов солнечных коллектором является емкостной коллектор, который еще называются термосифонным коллектором. Такое название, данный генератор получил за счет того, что он одновременно может и аккумулировать тепло и хранить определенное, уже нагретое, количество воды. Такие коллекторы, зачастую используются для начального нагрева воды, которая впоследствии нагревается до необходимой температуры стандартными установками (газовыми, электрическими колонками и т.д.). Такой метод позволяет экономить на потреблении электричества, за счет того, что в бак котла поступает уже подогретая вода.
Рассмотрим основные плюсы такого вида коллекторов. Первое – это, конечно же, экономия на электричестве. Второе – это возможность использовать достаточно дешевую альтернативу солнечной водонагревательной системе. Третьим плюсом стоит отметить простоту использования коллектора – минимум технического обслуживания, за счет отсутствия в нем движущихся частей (насосов и прочего).
Такие коллекторы бывают также "Integrated Collector and Storage", или, проще говоря, интегрированными коллекторами-накопителями. Такой вид коллектора, зачастую представлен одним или несколькими баками, которые заполнены водой. Эти баки помещаются в теплоизоляционный ящик и накрываются стеклянной крышкой. Порою, в этот же ящик помещаются прибор-рефлектор, который позволяет увеличивать солнечное излучение. Принцип действия данного устройства достаточно прост – солнечный свет, проходя через стекло, нагревает воду. Такая простота функционирования обуславливает достаточно не большую цену самого устройства. Однако стоит помнить, что в холодное время года, воду стоит защищать от замерзания, или же сливать.
Плоские коллекторы
Такие коллекторы, пожалуй, самые популярные для использования в бытовых условиях, для нагрева воды и в отопительных системах. Внешне, такое устройство выглядит как обычный металлический ящик. Однако внутри него находиться черная платина, которая поглощает солнечный свет. Крышка у этого ящика должна быть в обязательном порядке, стеклянной или пластмассовой, дабы лучше пропускать солнечную энергию.
Остекление плоского солнечного коллектора может быть прозрачным или матовым. Зачастую, все же, отдается предпочтение матовому остеклению, поскольку такое стекло позволяет пропускать только свет. А также, содержание железа в стекле должно быть очень низким, что бы позволить пропускать большую часть поступающего света, в коллектор. Принцип действия заключается в том, что солнечный свет, попадая на пластину, тепловоспринимающую пластину, которая и вырабатывает тепло. Стекло служит теплоизоляцией, а для повышения КПД коллектора, его стенки прокладывают теплоизолятором. Такая конструкция, позволяет снизить тепловые потери до минимума.
Пластина абсорбента, или же пластина, поглощающая солнечный свет, зачастую окрашена в черный цвет, дабы увеличить количество поглощаемой солнечной энергии, ведь тот факт, то темные тела притягивают ее больше – ни для кого не секрет. Проходя через стекло, и попадая на поглощающую пластину, солнечная радиация превращается в тепловую энергию. Далее, чтобы продолжить процесс, полученное тепло передается тепловому носителю. Тепловым носителем может выступать воздух или жидкость, которые циркулируют в трубах. К сожалению, даже полностью черные поверхности, способны отражать около 10% солнечной радиации, падающей на нее. Дабы избежать этого, абсорбирующие пластины покрываются дополнительно специальным покрытием, которое призвано удерживать солнечный свет попадающие на пластину. Такое покрытие служит дольше обычной краски и позволяет повысить КПД коллектора. В состав такого селективного покрытия входит слой аморфного полупроводника, который наноситься на металлическое основание пластины.
Абсорбирующие пластины изготавливаются из металла, который наилучшим образом проводит тепло. Высокий уровень теплопроводности металла позволит уменьшить теплопотери при передаче переработанной энергии теплоносителю. К списку таких металлов можно причислить медь и алюминий. Разница между ними заключается в том, что медная пластина способна лучше проводить тепло, и более устойчива к коррозиям, в отличии от алюминиевой пластины.
Плоские солнечные коллекторы бывают жидкостными или воздушными. А в зависимости от наличия остекления, и тот и другой вид бывает как остекленным, так и не остекленным.
Жидкостные коллекторы
В солнечных коллекторах этого типа, теплоносителем выступает жидкость. Солнечная энергия, перерабатывается в поглощающей пластине в тепло, и передается жидкости, которая течет по трубам, прикрепленным к пластине. Эти трубы могут идти параллельно друг другу, но на каждой, в обязательном порядке должно быть входное и выходное отверстие. Существует возможность расположение труб в виде змеевика. Такое положение уменьшает количество соединительных отверстий, что, в свою очередь, снижает вероятность протекания. Таким образом, змеевидное расположение обеспечивает более равномерный поток жидкости-теплоносителя. Однако, могут возникать сложности при спуске жидкости перед похолоданием, поскольку в изгибах трубы может остаться жидкость.
Простые системы жидкостных солнечных коллекторов предполагают использование обычной воды, которая сразу же, нагреваясь в коллекторе, поступает пользователю. Такие модели называют «разомкнутыми» или «прямыми» системами. Однако применение таких коллекторов неудобно в регионах с низким температурным режимом. Поскольку, при снижении температуры ниже точки замерзания – необходимо сливать воду. В этот период систему использовать невозможно. Альтернативой является использование незамерзающих жидкостей вместо воды. Этот вид системы жидкостных солнечных коллекторов использует жидкие теплоноситель, который, поглощая тепло, направляется в теплообменник. Зачастую теплообменником является водяной бак, конструкция которого предполагает передачу тепла воде. Такую систему называют «замкнутой» или «непрямой».
Остекление жидкостных коллекторов позволяет нагревать воду для бытовых нужд, и для отопления дома, поскольку их КПД выше, чем у неостекленных аналогов. Неостекленные коллекторы, зачастую используют для нагрева воды в бассейнах. В последних приборах не требуется нагревать температуру до высоких температур. Это позволяет использовать менее дорогие материалы, такие как пластмасса и резина.
Воздушные коллекторы
Теплоносителем в воздушных коллекторах выступает воздух, а он не замерзает и не кипит, в отличие от воды. Этот факт позволяет избежать проблем, которым подвержены жидкостные коллекторы. К тому же, утечка в системе воздушных коллекторов приносит намного меньше трудностей, хотя, конечно же, обнаружить ее достаточно сложно. Стоит помнить, что перед материалами, используемыми в воздушных солнечных коллекторах, не стоят особо сложные эксплуатационные задачи. По этому, в воздушных системах возможно использование более дешевых материалов.
Конструкция воздушных коллекторов, представляет собой сочетание плоских коллекторов. Такой прибор используется в основном для просушки сельскохозяйственной продукции, или же для отопления помещений. Металлические панели и многослойные неметаллические экраны могут послужить поглощающими пластинами в конструкции воздушных коллекторов. Теплоноситель проходит через стенки поглотителя с помощью естественной конвекции, или с помощью специального вентилятора.
Теплопроводимость воздуха, на порядок хуже, чем проводимость тепла, жидкостью. По этому, поглотитель получает значительно меньше тепла от воздуха, чем от жидкости. Вентилятор, присоединенный к поглощающей пластине, позволяет увеличить поток воздуха, таким образом, улучшая теплоотдачу. Однако и в этой конструкции есть свои недостатки. Для работы вентиляторов, необходимо дополнительно использовать электроэнергию, а это, в свою очередь увеличивает затраты на работу системы. В условиях холодного климата, необходимо направлять воздух между поглощающей пластиной и утепленной стенкой коллектора, это позволяет избежать потерь тепла. Но не стоит применять такою циркуляцию, если, все же, воздух в помещении, нагревается на 17 С больше, чем воздух на улице. В этом случае, воздух может спокойно циркулировать без потерь эффективности.
Поговорим о достоинствах воздушных коллекторов. В первую очередь – это простота и надежность. Воздушные коллекторы имеют достаточно простое устройство, благодаря этому снижается уровень необходимости технического обслуживания, при этом увеличивая их безусловную надежность. При достойных условиях эксплуатации, срок службы качественного воздушного коллектора колеблется от 10 до 20 лет. За счет того, что теплоносителем выступает воздух, исключается необходимость использования теплообменника и термоизоляции в холодное время года.
Однако не все так красочно, в сфере солнечных воздухонагревателей. Все дело в том, что применение таких установок распространено исключительно для отопления помещений и просушки сельскохозяйственной продукции, причем, в основном, в развивающих странах. Причиной этому стало то, что существуют некоторые ограничения, для использования в промышленных условиях. Начнем с того, что по сравнению с жидкостными, воздушные коллекторы занимают достаточно большую площадь, за счет низкого уровня удельной теплоемкости. К тому же, требуется оборудовать длинный воздуховод для эффективной работы коллектора. И самая главная трудность – это необходимость использования электроэнергии для прогонки воздуха через функциональные части коллектора. Еще иногда встречаются сложности с аккумулированием самой теплоты. Все эти проблемы, даже в регионах с достаточным количеством солнечных дней, приводит к значительному увеличению стоимости на эксплуатацию и установку воздушных коллекторов.
Принцип действия солнечных коллекторов
Элементарный воздушный коллектор
Воздушные солнечные коллекторы делятся на две группы, в зависимости от способа циркуляции воздуха. В самом простейшем случае, поток теплоносителя (воздуха) в коллекторе проходит как раз под поглотителем. Таким образом, данный коллектор позволяет повысить температуру воздуха, не больше чем на 3-5 С. Причиной такого низкого КПД является потери тепла на конвекцию и излучение.
Любой прозрачный материал, с низкой проводимостью инфракрасного излучения, позволяет снижать уровень теплопотерь, при накрывании им поглотителя. Все дело в том, что поток воздуха, образовывается или под поглотителем, или между поглотителем и данным прозрачным покрытием. Прозрачная крышка (из особого стекла или пластмассы) позволяет не на много снижать уровень излучения тепла с поглотителя. Однако, это снижение конвективных тепловых потерь, может позволить увеличить температуру до 20-50 С. Но и этот параметр будет зависеть от интенсивности солнечной энергии попадающей в коллектор и качества воздушного потока. Как плюс к этому всему, наблюдается, также снижение тепловых потерь на излучение, за счет снижения температуры поглотителя. Но стоит помнит, что при этом происходит еще и снижение возможности абсорбента поглощать энергию, за счет его запыления, в том случае, если поток воздуха проходит с обеих сторон.
Накрытый поглотитель в воздушном коллекторе
Отказ от остекления металлического ящика и теплоизоляции, в некоторых случаях, позволяет существенно снижать затраты. Дело в том, что изготовляется такой коллектор из перфорированного металла черно цвета. Такой материал позволяет улучшать качество теплообмена. Принцип этого процесса заключается в том, что этот металл нагревается достаточно быстро, а вмонтированный вентилятор втягивает теплый воздух, через отверстия в металлических листах. Коллекторы такого типа, достаточно часто используются в жилых домах. Зачастую размеры такого прибора составляют 2,4 м?0,8 м, при этом скорость нагрева воздуха составляет 0,002 м3/с. Даже в солнечный зимний день, температура воздуха, который нагревается в коллекторе, может достигать разницы в 28 ?С по сравнению с наружным. К тому же, стоит учесть, что в значительной мере улучшается качество воздуха, поскольку нагревается непосредственно воздух, поступающий снаружи.
Одним из главных плюсов подобных коллекторов, является тот факт, что они достаточно эффективны. КПД некоторых промышленных моделей может достигать 70%. А их стоимость снижается, за счет уменьшается количество используемых материалов.
Вакуумированный солнечный коллектор
Плоские солнечные коллекторы, изначально создавались для использования в местах с большим количеством солнечной энергии. При плохой погоде, их эффективность достаточно не значительна. Холодная, ветреная, пасмурная погода – не позволяют работать таким коллекторам в полную мощь. Но и это не все – повышенная влажность в значительной мере неблагоприятно сказывается на состоянии внутренних деталей такого коллектора. А это влечет за собой уменьшение срока службы коллектора, а также ухудшение эффективности его работы. Дабы устранить такие недостатки были созданы вакуумированные солнечные коллекторы.
Современные вакуумированные солнечные коллекторы способны нагревать воду, для обеспечения хозяйственных нужд. Принцип действия такого прибора заключается в следующем: солнечная энергия, проходя через наружную трубку, попадает в поглощающую трубку, где и происходит превращение солнечной энергии в тепло. А далее, переработанное тепло передается теплоносителю (жидкости). Сам коллектор представляет собой сочетание определенного количества параллельных рядов стеклянных трубок. К каждой из этих трубок прикрепляется трубчатый поглотитель с селективным покрытием (аналог пластины-поглатителя в вышеописанных плоских коллекторах). Нагретая в коллекторе жидкость поступает в бак накопитель, и уже там отдает все полученное тепло воде.
Трубки в вакуумированном коллекторе можно менять. Добавлять или даже убирать, в зависимости от необходимости. Это позволяет называть такие коллекторы модульными. Но стоит помнить, что между трубками коллектора должен быть вакуум, что бы уменьшить потери тепла в процессе конвекции. Однако, радиационная потеря тепла остается. Уточним, что радиационная потеря тепла – это то тепло, которое идет на нагревание поверхностей рабочих частей коллектора. Но не стоит думать, что эти потери существенно повлияют на эффективность работы коллектора. Радиационная потеря достаточно мала, по этому можно уверенно считать, что рабочие характеристики вакуумированного коллектора достаточно велики.
На данный момент, создано большое количество вакуумированных коллекторов, которые имеют различные комплектации, а, следовательно, и разные эксплуатационные характеристики и особенности.
Создание вакуумированного коллектора – это достаточно сложный и трудоемкий процесс. Особенные трудности вызывает запайка оболочки коллектора. Проблема заключается в том, что по сей день не найдено достаточно эффективного метода создания эффективной высоковакуумной системы, при не больших затратах.
Стоит помнить, что такие вакуумированные коллекторы достаточно эффективны, по сравнению с обычными плоскими коллекторами. Все дело в том, что эффективность работы вакуумированного коллектора не зависит от качества радиации, т.е. как в условиях прямой, так и рассеянной радиации, данный коллектор работает одинаково эффективно. К тому же, вакуумное строение коллектора позволяет свести к минимуму потери тепла. Помимо всего вышесказанного, такие приборы достаточно долго и качественно служат, полностью обеспечивая все хозяйственные нужды человека.
Концентраторы
Фокусирующий солнечный коллектор
Концентраторы или же коллекторы отличаются от предыдущих описанных коллекторов тем, что их принцип действия заключается в концентрации солнечных лучей. Делается это за счет зеркальных поверхностей, которые направляют солнечную энергию конкретно на поглотители. Температура, которая обеспечивается концентраторами значительно выше, чем максимальная температура плоских коллекторов. Но стоит помнить, что концентраторы могут воспринимать исключительно прямую солнечную радиацию, по этому. В пасмурную погоду их использование не возможно. Такой тип коллекторов-концентраторов, особенно эффективен в регионах близких к экватору и в пустынных районах с большим количеством солнечных дней.
Для более эффективной работы концентратора, используется специальный прибор, который отслеживает направление солнечных лучей и поворачивает прибор к солнцу. В зависимости от оси, по которой может вращаться, такой коллектор различают одноосные и двуосные следящие устройства. Первые предполагают вращение устройства с востока на запад, а вторые, предполагают поворот устройства во все четыре стороны света, для того что бы точно отслеживать направление солнца в течение всего года. Данные коллекторы-концентраторы, в основном используются в промышленных условиях. Причиной этому стала достаточно большая стоимость этого устройства, а также необходимость постоянного технического обслуживания. Для бытового применения, они просто не приемлемы.
Солнечные печи и дистилляторы.
Солнечная печь
Помимо всех вышеописанных приборов, существуют также приборы, которые имеют достаточно простую структуру, и узкую сферу применения. К примеру, такие приборы могут выступать в роли солнечной печи, для приготовления пищи, или солнечного дистиллятора – прибора достаточно дешево очищающего воду любого состояния.
Поговорим про солнечные печи. Они достаточно просты, как при эксплуатации, таки при изготовлении. Солнечные печи представляют собой достаточно хорошо теплоизолированную коробку, которая покрыта материалом, отражающим свет (фольгой, например). Эта коробка накрывается стеклом и оборудована внешним отражателем. Кастрюля черного цвета послужит поглотителем, поскольку может намного быстрее нагреваться. Такие печи, можно использовать для стерилизации воды, при кипении.
Что касается солнечных дистилляторов, то они могут в результате своей работы предоставлять дистиллированную воду достаточно дешево, притом, что брать воду, можно практически из любого источника. Принцип работы солнечного дистиллятора лежит в основе процесса испарения, а сам прибор использует солнечную энергию, с целью ускорить этот процесс. За день работы, небольшой солнечный дистиллятор может произвести около 10 литров идеально чистой воды.
На данный момент солнечная энергия используется достаточно обширно. Одним из самых эффективных примеров его использования является метод нагрева воды солнечной энергией. Несколько миллионов жителей нашей планеты, уже достаточно долго и давно используют солнечные коллекторы для обеспечения своих нужд. Такие приборы достаточно эффективны, не требуют особых затрат на эксплуатацию, к тому же не приносят вреда окружающей среде.
www.solarroof.ru
