Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.1. Открытые тепловые солнечные коллекторы
Открытые СК бывают двух типов:
– конструкция из трубок или других последовательно соединенных элементов, по которым течет теплоноситель (трубчатые);
– емкость с теплоносителем (объемные).
В обоих случаях это простейшие конструкции у которых поверхность (абсорбер) непосредственно нагревается солнечными лучами. Элементы конструкции открытого теплообменника закрепляются на простейшей раме – каркасе и не защищены (открыты) от внешних воздействий окружающей среды. В качестве теплоносителя применяется вода, антифриз.
Обычно, теплообменники открытого типа применяются на садовых и приусадебных участках для подогрева воды в летних открытых душевых и открытых детских бассейнах. Часто они изготавливаются самостоятельно из подручного материала.
На рис. 8 представлены несколько оригинальных конструкций СК открытого типа.
Преимущества коллекторов открытого типа:
– дешевизна конструкции,
– обеспечивает подогрев воды для бытовых нужд летних садовых участков.
Недостатки коллекторов открытого типа:
– низкая эффективность подогрева теплоносителя;
– использование только в летнее время в теплых регионах страны;
– отсутствует защита от температурных воздействий окружающей среды, теплоноситель быстро остывает;
– нагрев теплоносителя происходит только при солнечной погоде и отсутствии облачности;
– требуется время на подогрев теплоносителя после остывания в ночной или облачный периоды времени;
– обеспечивает небольшой (до 20 °С) перепад температуры теплоносителя и окружающего воздуха;
– нагрев теплоносителя происходит только в безветренную погоду.
Рис. 8. Некоторые примеры исполнения простейших водяных и воздушных тепловых солнечных коллекторов
Существуют и промышленные СК открытого типа. Некоторые из них представлены на рис. 9.
В большинстве случаев, промышленные СК открытого типа – это поверхности из пластика черного цвета внутри которых размещены каналы с циркулирующей водой. Солнце нагревает поверхность такого коллектора, которая, в свою очередь, нагревает воду. Нагретая вода поступает в бассейн или резервуар летнего душа.
Рис. 9. Солнечные тепловые коллекторы открытого типа промышленного изготовления
Главное преимущество таких устройств- дешевизна.
Разберем более подробно недостатки солнечных коллекторов открытого типа. Это поможет понять, что нужно сделать для повышения их эффективности.
Главный недостаток, определяющий название таких систем – отсутствует защита от температурных воздействий окружающей среды, теплоноситель быстро остывает. СК лежит на земле или на поверхности затененной от солнца, следовательно, контактирует с холодной средой, минимум равной температуре воздуха в тени. Летом днем это примерно 20 °С. Значит с одной стороны поверхность нагревается солнцем, а с другой стороны – охлаждается окружающей средой.
Решение данной проблемы простое – изолировать нижнюю поверхность коллектора. То есть установить на внутренней поверхности теплоизоляционный слой.
Рассмотрим другой пример. На небе появились тучи, СК попал в тень и нагретая передняя поверхность, теперь будет нагревать не внутренние трубки с теплоносителем, а окружающий воздух. Решение данной проблемы – закрыть переднюю поверхность СК от остывания прозрачной пластиной или стеклом. Все это защитит также от ветра, поскольку открытые солнечные коллекторы при ветре также быстро остывают. Эти изменения в конструкции, увеличат эффективность работы коллектора, но превратят его в конструкцию принципиально другого типа – закрытые от воздействия атмосферных факторов солнечные тепловые коллекторы.
Открытые СК могут обеспечивать только небольшой перепад температур (до 20 °С) между температурой теплоносителя и окружающей температурой воздуха. Это обусловлено тем, что коллекторы данного типа излучают очень много энергии в окружающую среду и имеют очень низкий коэффициент полезного действия.
Открытые СК не применяются в автономных системах отопления и подготовки горячего водоснабжения из-за низкой эффективности их работы.
КПД солнечных коллекторов открытого типа
Мгновенный коэффициент полезного действия. Угол падения солнечных лучей на коллектор постоянно меняется. За час он изменяется на 15 градусов, следовательно, меняется и количество энергии, падающей на поверхность коллектора.
КПД солнечного коллектора, подсчитанный при фиксированном положении Солнца, называется мгновенным. Максимальное значение КПД, при нулевой разницы температур между окружающей средой и коллектором. Солнце непосредственно нагревает абсорбер коллектора, Значение мгновенного КПД зависит от материала абсорбера, его толщины, апертурной площади коллектора, качества селективного покрытия.
Обычно, абсорберы СК открытого типа выполнены из стали, окрашенной в черный цвет или пластика. Если коллектор выполнен из труб, то важна плотность их навивки. При недостаточно плотной навивке, большая часть солнечной энергии проходит мимо и не нагревает трубы.
Если коллектор объемного типа и его абсорбер стальной лист, покрашенный простой черной краской, то площадь поглощения солнечной энергии большая. Но простая черная масляная краска имеет плохой коэффициент поглощения и значительная часть солнечной энергии отражается в атмосферу.
При отсутствии тепловой изоляции на задней поверхности коллектора происходят потери, преобразованной в тепло солнечной энергии на нагрев воздуха или поверхности грунта, если он находится на земле.
Определять точно КПД открытых солнечных коллекторов не имеет смысла, поскольку, в большинстве случаев, эти коллекторы делаются самостоятельно из подручного материала, а промышленные коллекторы этого типа, являются, в большей степени, декоративными или маркетинговыми решениями и греют воду очень плохо.
Во многих статьях и учебных пособиях максимальный мгновенный КПД открытых солнечных коллекторов указывают в диапазоне 90 %, объясняя, что этот параметр, практически равен поглощающей способности абсорбера. Но у трубчатых солнечных коллекторов данного типа, плотность навивки редко бывает более 60 %, а при размещении на земле, практически никогда, не удается направить коллектор строго перпендикулярно углу падения солнечных лучей. Поэтому реальный максимальный КПД таких систем не превышает 30–50 % %. Вопросы расчета КПД солнечных коллекторов будут рассмотрены в следующих разделах.