Конструктивные решения
Солнечный коллектор – это специальный теплообменник, в котором энергия солнечного излучения преобразуется в тепло. Существуют десятки вариантов их конструкций, но принцип их устройства одинаков. Обычно это плоская металлическая панель, в которой имеются каналы для жидкости. Поверхность этой панели, обращенная к Солнцу, – черная, для лучшего прогрева. Эта панель устанавливается в корпус, выполненный в виде плоской рамы. Для снижения тепловых потерь под панелью устанавливается теплоизоляция, а сверху она защищена специальным стеклом.
Жидкость (вода или специальный теплоноситель), проходящая через коллектор нагревается солнечным излучением, а затем это тепло используется для нагрева водопроводной воды или отопления. Температура нагрева жидкости зависит от многих факторов: плотности и долготы солнечного излучения, эффективности конструкции коллектора, расхода жидкости через него, температуры окружающего воздуха. Следует отметить, что современные коллекторы позволяют получать на выходе из них достаточно высокие температуры теплоносителя, приближающиеся к 1000С и даже выше (рис. 3).
Рис. 3. Устройство плоского солнечного коллектора
Сравнительно недавно на рынке появились солнечные коллекторы другого вида: они представляют собой батарею стеклянных труб. Внутри каждой из них в вакууме располагается двойная концентрическая трубка (рис. 4). По ее центральному каналу в конструкцию поступает из распределительного коллектора (он также двойной, совмещающий функции прямого и обратного) холодный теплоноситель. Возвращаясь по среднему каналу, теплоноситель получает «захваченное» (механизм – примерно такой же, что и в плоском коллекторе) в вакуумной трубке солнечное тепло и уносит его в систему отопления или горячего водоснабжения объекта. Кроме показанного, есть коллекторы на основе вакуумных трубок, где для улавливания солнечной радиации применены контактирующие с тепловой трубкой пластины, покрытие по всей длине специальным слоем полупроводника. Это позволяет преобразовать в тепло солнечную радиацию.
Рис. 4. Принцип работы коллектора с вакуумной трубкой
Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на широте 500, которое выделяется за сутки на 20 м2 горизонтальной поверхности, составляет 50…60 кВт.ч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 м2. Для условий эксплуатации сезонно заселенного жилья наиболее пригодной является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздухопроводам подается в помещения. Удобство применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны: нет опасности, что система замерзнет; нет необходимости в трубах и кранах; простота и дешевизна. Недостаток – невысокая теплоемкость воздуха.
Конструктивно коллектор представляет собой ряд застекленных вертикальных коробков, внутренняя поверхность которых затемнена матовой краской, которая не дает запаха при нагревании. Ширина короба около 60 см.
Относительно расположения солнечного коллектора на доме преимущество отдается вертикальному варианту. Он наиболее простой в строительстве и дальнейшем обслуживании. В сравнении с наклонным коллектором (например, который занимает часть крыши), не нужно уплотнение от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикального стекла легко смыть пыль. Плоский коллектор, кроме прямой солнечной радиации воспринимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, которые мы часто имеем. Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, но для конвекционного отопления этого и не нужно, здесь достаточно иметь низкопотенциальную теплоту. Солнечный коллектор располагается на фасаде, ориентированном на юг (допустимое отклонение до 300 восточнее или на запад). Неравномерность солнечной радиации в продолжение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует необходимость иметь тепловой аккумулятор. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешевый, простой в производстве. Гравийное засыпание можно разместить в теплоизолированной углубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора. Для дома площадью 60 м2, объем аккумулятора составляет от 3 до 6 м3 и определяется качеством выполнения элементов гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в конкретной местности.
Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах: отопление и аккумулирование тепловой энергии; отопление от аккумулятора; аккумулирование тепловой энергии; отопление от коллектора. В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается и через отверстия в потолке поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретым. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60%.
Рис. 5. Строительный гелиокомплекс Н.Н.Селиванова (СССР), образованный из
группы зданий, которые концентрированно отражают солнечную
энергию на единый коллектор