Сонячні колектори. Технологія
Сонячні колектори. Технологія
Найбільш потужним джерелом енергії для людства є Сонце, яке буде світити ще як мінімум 3-4 мільярди років. Річна кількість сонячної енергії майже в 15 тисяч разів перевищує потреби населення нашої планети, однак тільки незначна її частина використовується на господарські потреби.
Для перетворення сонячної енергії в теплову служать геліосистеми.
Найпримітивніший геліоколектор який використовується з незапам'ятних часів-забарвлена в чорний колір бочка для літнього душа.
Плоский сонячний колектор-перший з промислових геліосистем. Він являє собою добре ізольований короб, в якому знаходиться світло-поглинаюча панель, по якій тече теплоносій, передаючи отримане тепло воді.
Плоскі геліоколектори широко експлуатуються, успішно виконуючи завдання постачання будівлі гарячою водою. Система автономна, до того ж недорога. У наших кліматичних умовах вона чудово підходить для будинків сезонного проживання, наприклад, дач або садових будиночків.
Завдяки сучасним високо-селективним покриттям середнє ККД плоских геліоколекторів досягає 50%, хоча у більш старих моделей через значних тепловтрат воно нижче - 20 - 40. Ефективність роботи обладнання падає при хмарної погоди, а при температурі повітря нижчій як -5 ° С тепловтрати настільки високі, що в його функціонуванні немає сенсу. До того ж навіть у сонячні дні при сході і заході сонця промені не потрапляють на площину такого геліоколектора, тому він практично не діє.
Після того як британською компанією Thermomax вперше був розроблений вакуумний сонячний колектор, у цій сфері був досягнутий новий якісний рівень. Це відкриття зробило технічно можливим випуск сонячних батарей з особливо високими експлуатаційними характеристиками. В результаті того, що сонячну батарею помістили в вакуум, розробникам вдалося зробити так, щоб збирати з її допомогою максимум енергії і щоб при цьому вона не була втрачена.
В усіх найбільш ефективних трубчастих колекторах використовується фізичний принцип теплової труби, яка являє собою порожнистий розширений догори мідний стрижень, запаяний з обох кінців з розширенням у верхній частині. Всередині знаходиться нетоксичний реагент, який при нагріванні закипає і випаровуючись, піднімається у верхню частину - наконечник, температура в якому може досягати 2500*С., там конденсується, віддаючи тепло. Конденсат стікає по стінках вниз, і процес повторюється.
Всі геліосистеми поділяються на одно-і двоконтурні. У одноконтурних системах циркулює саме та вода, яка потім витрачається з бака акумулятора. У двоконтурних теплоносієм є яка-небудь незамерзаюча нетоксична рідина, яка, нагріваючись, надходить у теплообмінник бака-акумулятора, де передає отриману теплову енергію воді. Знімання може здійснюватися по-різному, наприклад, безпосередньо з наконечника через стакан, впаяний в трубу, по якому протікає солярна рідина. У закритому контурі це може бути рідина, на основі гліколю (тепло поступає в накопичувальний бак), у відкритій системі - вода (вона потрапляє безпосередньо на бойлер). Щоб цього не було, тепло відразу після поглинання віддається теплоносію і не йде в навколишнє середовище. У цьому полягає ключова відмінність між тепловими та плоскими сонячними колекторами.
Ефективність U-подібних теплових труб (найпростіших, використовуваних в трубчастих системах) на порядок вище, ніж у плоских колекторів. Завдяки циліндричної формі вони чудово працюють протягом дня, тому що їх поверхня постійно освітлена сонцем. Це призводить до отримання стабільної енергії при різних кутах падіння сонячних променів. Трубки добре захищені від несприятливих природних впливів (граду, вітру та іншого), але у таких систем є і слабкі місця.
Через те, що в цих колекторах теплоносій протікає безпосередньо через трубу, виникають труднощі при монтажі. Кожна трубка повинна підключатися до системи окремо, щоб не було підтікання теплоносія. Потрібно і серйозне експлуатаційне обслуговування, адже витік або механічне пошкодження навіть однієї труби викликає зупинку колектора. Вакуумна теплова труба (Heat pipe) автономна і складається з 2 труб, виконаних з надміцного боросилікатного скла. Зовнішня - прозора, а внутрішня має спеціальне селективне покриття, яке забезпечує максимальне поглинання тепла при мінімальному відображенні. Щоб уникнути тепловтрат між трубами створений вакуум.
Для підтримання вакууму використовується барієвий газопоглинач, який у виробничих умовах піддається впливу високих температур, внаслідок чого нижній кінець вакуумної труби покривається шаром чистого барію. Він поглинає СО, СО2, N2, О2, Н2О і Н2, що виділяються з труби в процесі зберігання і експлуатації, і є чітким візуальним індикатором стану вакууму. Коли вакуум зникає, барієвий шар з срібного стає білим. Це дає можливість легко визначити, чи справна труба.
Поглинання тепла відбувається в мідній теплової трубки, яка знаходиться всередині вакуумної труби. Спосіб передачі тепла від неї теплопроводу дуже простий.
Мідна трубка всередині порожня і містить запатентовану неорганічну нетоксичну рідина. При нагріванні ця рідина випаровується, а оскільки в трубці створений вакуум, це відбувається навіть при температурі 25-30 ° С.
Пара піднімається до наконечника (конденсатору) теплової трубки, де віддає тепло воді, яка тече по теплопроводу. Потім він конденсується і стікає вниз, і процес повторюється спочатку.
Сонячний колектор з вакуумними трубами показує чудові результати і в хмарні дні, тому що труби здатні поглинати енергію інфрачервоних променів, які проходять через хмари. Завдяки ізоляційним властивостям вакууму дія вітру і низьких температур на їхню роботу також незначно в порівнянні з впливом на плоский СК. Система успішно працює до -35 ° С
Вакуумовані труби круглі, тому кількість сонячного випромінювання, що потрапляє на колектор, залишається постійною з ранку до вечора. Завдяки цьому загальна кількість сонячного випромінювання зростає.
Форма труб забезпечує чудову ступінь поглинання, оскільки сонячні промені завжди падають на її поверхню під прямим кутом, зводячи відображення до мінімуму.
Труби укладені в колекторі паралельно, кут їх нахилу залежить від географічної широти даного місця. Орієнтовані з півночі на південь, протягом дня вони пасивно йдуть за сонцем.
Такий колектор практично не вимагає експлуатаційного обслуговування: виробники дають на подібну продукцію гарантію до 25 років. Система повністю ремонтопридатна: у разі необхідності трубу можна замінити без зупинки колектора. За необхідності трубки можна додавати (при нестачі тепла) або частково знімати (якщо стався його надлишок), зменшуючи геліополь. Їх експлуатаційне обслуговування зводиться практично до нуля.
Останніми з теплових з'явилися SV-труби (вакуумні труби надвисокої теплопровідності). SV-труби працюють за тим же принципом, що й звичайні вакуумні труби, і володіють усіма перерахованими достоїнствами. Але вони мають ряд принципових відмінностей, що істотно підвищують їх ефективність.
У SV-трубах вакуумуючим елементом є не колба, а весь внутрішній простір труби. В результаті тепловтрати зводяться до мінімуму, і устаткування може ефективно працювати до -50 ° С. Оскільки в них використовується не подвійне, а одинарне скло, товщина стінки труби збільшена на 0,6 мм, і вона може без збитку витримувати попадання граду розміром 35 мм.
Завдяки високо-селективному абсорбуючому шару такі труби сприймають дифузійне світло, а це означає, що вони будуть працювати, навіть якщо небо затягнуте хмарами, - лише трохи втратять продуктивність. Вони готові до роботи відразу ж, як тільки на їх поверхню впадуть сонячні промені, а буквально через 3-5 хвилин температура на наконечнику вже підніметься до +100 ° С (максимально - до +300 ° С). Ефективність вища на 15-20%!
Трубчасті геліосистеми відмінно справляються із завданням постачання будинку гарячою водою, підігрівом басейнів і теплиць, працюють в системах вентиляції, кондиціювання та навіть опалення будівель.