2.3 Плоские солнечные коллекторы

На сегодняшний день плоский коллектор является самым распространенным. Он состоит преимущественно из поглотителя, прозрачного покрытия и корпуса коллектора. Поглотитель, расположенный внутри коллектора, преобразовывает солнечное излучение в тепло и отдает его теплоносителю.

Рис.1.7 Плоский коллектор.

Задняя стенка коллектора имеет хорошую теплоизоляцию, передняя стороны – стеклянное покрытие. Стекло уменьшает потери излучения и препятствует утечки тепла в окружающую среду, как при парниковом эффекте.

1. Рама

2. Уплотнение

3. Прозрачное покрытие

4. Профиль боковой стенки рамы

5. Теплоизоляция

6. Поглотитель

7. Канал для теплоносителя

8. Шлиц для крепления

9. Задняя стенка

Корпус коллектора может быть изготовлен из пластмассы, жести либо дерева. Теплоизоляцию задней стенки коллектора должен обеспечивать температуростойкий материал с хорошей теплоизоляцией. Так как температура в коллекторе может достичь 200 °С (если тепло в хозяйстве не используется), все компоненты системы также должны быть температуростойкими. С одной стороны, стеклянное покрытие передней стенки коллектора должно как можно лучше пропускать солнечные лучи, с другой стороны, удерживать тепло поглотителя как в парнике. Материал, из которого изготовлено покрытие коллектора, должен обладать следующими свойствами:

• Высокая светопроницаемость на протяжении всей эксплуатации коллектора

• Низкая степень отражения солнечных лучей

• Защита от охлаждения ветром либо через конвекцию

• Защита от влажности

• Стабильность при механическом воздействии

В качестве покрытия передней стенки коллектора в большинстве случаев используется термически обработанное стекло с низким содержанием железа.

Рис. 1.8 Парниковый эффект в коллекторе.

Как видно на рис.1.8, видимое излучение (голубой график) без препятствий проникает сквозь стекло, так как в видимой области стекло имеет высокий коэффициент пропускания (зеленый график). Поглотитель черного цвета преобразовывает видимое излучение в тепло, в результате чего он сильно нагревается. Красный график показывает потери тепла при инфракрасном излучении, которое исходит от любого нагретого тела в соответствии с его температурой. Только малая часть инфракрасного излучения покидает коллектор, т.к. стеклянное покрытие коллектора препятствует этому. Для изготовления поглотителя тепла используется исключительно медь, сталь либо алюминий, причем существуют различные модели поглотителей. На рис. 1.9 изображены некоторые из них:

Алюминиевый поглотитель

Алюминиевый поглотитель с запрессованными медными трубами

Поглотитель, спрессованный из полосок жести и медных труб

Рис.1.9 Виды поглотителей.

Попадая на поглотитель тепла, солнечное излучение поглощается и лишь частично отражается. Таким образом, возникает тепло, которое передается во встроенные в металлическую пластину трубы, по которым течет теплоноситель. Теплоноситель поглощает тепло и передает его в накопительный резервуар. Основной акцент делается на том, чтобы поглотитель имел высокую способность поглощать свет и низкую способность излучать тепло в окружающую среду. Это достигается с помощью селективного покрытия, способствующего преобразованию коротковолнового солнечного излучения в тепло и снижающего длинноволновое излучение тепла. Раньше селективное покрытие состояло из черного хрома либо черного никеля.

Рис.2.1 Поглощение и излучение различных поверхностей.

На рисунках 2.1, 2.2 коэффициент излучения коллектора с обыкновенным черным поглотителем сравнивается с поглотителем, имеющим селективное покрытие. При этом удается установить, что оба абсорбера поглотили относительно одинаковое количество солнечного излучения, однако отданное тепловое излучение у поглотителя с селективным

покрытием значительно меньше, чем у обыкновенного поглотителя.

Рис. 2.2 Коэффициент излучения обычного черного поглотителя.

У поглотителя с обыкновенным черным покрытием коэффициент излучения не зависимо от длины волн остается неизменным ε ≈ 0, 95 (Рис. 2.2) Следовательно, инфракрасное излучение беспрепятственно излучается, и задерживается только стеклянным покрытием на передней стенке коллектора (парниковый эффект). Т.е. стекло поглощает инфракрасное излучение, в результате этого оно нагревается. Стекло излучает тепло, которое и представляет собой тепловые потери коллектора. Поглотитель с селективным покрытием (Рис. 2.3), в противоположность этому, имеет совершенно другой характер излучения. Красная линия показывает инфракрасное излучение поглотителя с селективным покрытием, что составляет около 10 % инфракрасного излучения, выпущенного поглотителем с обыкновенным покрытием (прерывистая красная линия). Это приводит к меньшим потерям теплового излучения и меньшему нагреву стекла, а, соответственно, и к значительно меньшим потерям тепла.

Рис. 2.3 Коэффициент пропускания поглотителя с селективным покрытием.