Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.1. Принцип работы солнечного теплового коллектора
Примитивнейший ТСК – это стальная, покрашенная черной краской, бочка с водой, установленная на крыше. Вариант такого устройства представлен на рис. 4.
Рис. 4. Примитивный солнечный тепловой коллектор в виде бочки
Не смотря на свою примитивность, такой ТСК выполняет главную функцию – преобразует солнечную тепловую энергию в нагретую и готовую к использованию воду.
Стальная поверхность бочки – устройство, преобразующее солнечную радиацию в тепловую. Бочка покрыта черной краской для увеличения поглощения солнечной энергии, внутри бочки находится вода, которая нагревается за счет внутреннего теплообмена.
Данная конструкция обладает множеством недостатков. Нагрев воды в таком солнечном коллекторе происходит только под воздействием прямых солнечных лучей. Если на небе облака, или пасмурно, то нагрева не происходит. Более того, если вода нагрелась, то при заходе солнца в облака, она остывает, поскольку бочка не имеет никакой термоизоляции, а температура окружающего воздуха, даже летом, бывает ниже 25 градусов. Если дует ветер, то охлаждение происходит еще быстрее. Но с точки зрения процесса преобразования солнечной энергии в удобную для использования человеком горячую воду, данное устройство является полноценным.
На рис. 5 представлены некоторые типы солнечных коллекторов промышленного производства, предназначенные для подготовки горячей воды в индивидуальных и многоквартирных домах.
Работа СК, независимо от конструктивных особенностей, состоит в следующей последовательности.
А) Солнечная энергия видимого и ближайшего инфракрасного излучения спектров, в диапазоне 300–1100 нм попадает на абсорбер солнечного коллектора, поверхность которого покрыта селективным покрытием.
Абсорбер – элемент СК. Техническое устройство, предназначенное для преобразования солнечной энергии в тепловую.
Б) Абсорбер, передает тепло непосредственно жидкости или трубкам произвольной формы, по которым течет нагреваемая жидкость (теплоноситель).
Теплоноситель – жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии.
Рис. 5. Тепловые солнечные коллекторы, установленные на крышах и стенах индивидуальных и коммерческих сооружений
Как видно из формулировки, теплоносителем может быть как жидкость, так и воздух. Соответственно по этому определению, тепловые солнечные коллекторы могут быть:
– жидкостные;
– воздушные.
В) Теплоноситель передает тепло приборам водоснабжения или отопления, либо непосредственно используется потребителем.
На рис. 6 показана конструкция примитивного воздушного ТСК. В качестве абсорбера выступает окрашенная черным цветом алюминиевая гофрированная воздушная труба, теплоносителем является воздух, движение которого создается вентилятором.
Если в жидкостном коллекторе абсорбер непосредственно нагревает теплоноситель, а циркуляция теплоносителя определяется разницей плотности холодного и нагретого теплоносителя (естественной циркуляцией), то такие солнечные тепловые коллекторы называются коллекторы со свободной (прямоточной) циркуляцией. Если движение теплоносителя осуществляется циркуляционным насосом, то коллекторами с принудительной циркуляцией. Также, по условию циркуляции теплоносителя тепловые коллекторы можно классифицировать, как энергетически независимые – если на циркуляцию воды не тратится дополнительная энергия, и энергетически зависимые, если для этого процесса нужна дополнительная энергия.
Рис. 6. Простейший воздушный тепловой солнечный коллектор
Если абсорбер солнечного коллектора нагревает теплоноситель и он непосредственно передается в систему отопления и ГВС то такие коллекторы называются одноконтурные или одноступенчатые. В том случае, если абсорбер нагревает элементы, в которых циркулирует легкоиспаряемая жидкость и она, нагреваясь превращается в насыщенный пар, который в последствии конденсируется на теплосъемнике отдельной циркулирующей с теплоносителем системе, то такой солнечный теплообменник называется двухконтурным или двухступенчатым.
Более подробно все типы солнечных тепловых коллекторов будут рассмотрены в последующих главах данного учебного пособия.