VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Солнце является огромным источником энергии для нашей планеты. Мы используем энергию для повседневных нужд. Она необходиа для передвижения транспорта, приготовления пищи, охлаждения и обогрева помещений и т.д.

Солнечная энергия может использоваться для множества задач. Мы в этой работе расмотрим случай преобразования энергии солнца в тепловую. Преобразование энергии в тепловую находит применение в обеспечении необходимых параметров микроклимата зданий, сооружений, а также индивидуальных жилых домов.

Устройствами с помощью которых присходит преобразование солнечной энергии в тепловую являются коллекторы.Различают два вида солнечных коллекторов, и от устройства конструкции зависит принцип его работы.

Наиболее распространенными на сегодняшний день являются плоские коллекторы, сделанные в форме панели. Обычно они представляют собой теплоизолированные металлические ящики со стеклянной или пластмассовой крышкой.

Рис.1. Плоский солнечный коллектор

В них же помещена пластина абсорбера. Абсорбер является ключевой частью солнечного коллектора, где происходит преобразование солнечной энерги в тепловую Черезе абсорбер передается тепловая энергия теплоносителю. Пластина абсорбера окрашивается в черный, так как темные поверхности способны поглощать больше солнечной энергии, нежели светлые.

Остекление коллекторов бывает двух видов: стеклянным или матовым. Но в большинстве используют матовое стекло из-за ее способности значительного светопропускания. Обычно дно и стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом для снижения потерь тепла.

Солнечный свет попадая на поверхность, проходит через остекление, и попадает на пластину, которая в свою очередь нагревает и способствует формированию тепловой энергии из солнечной радиации. Тепло передается теплоносителю (вода или воздух), который циркулирует по трубкам установки. С связи с тем, что большинство темных покрытий отражают около 10% радиации, пластины покрывают селективнм порытием, способным удерживать солнечный свет и служить намного дольше чем обычная черная краска (мы упомянули об этом выше).

Селективное покрытие представляет собой очень тонкий прочный слой из аморфного полупроводника, который наносится на металличесую основу. Селективные покрытия обладают отличной поглощающей способностью, и имеют низкий коэффициент излучения. И соответственно, применяемая пластина должна обладать высокой теплопроводностью, и с минимальными теплопотерями передавать выработанное тепло теплносителю. Одним из основных элементов коллектора также является теплоизоляционный слой, необходимый для снижения теплопотерь.

Система солнечного коллектора для отопления

Солнечные коллекторы можно устанавливать на крышу, образуя единую конструкцию с кровлей.Эффективным является установка коллекторов на крыше (Сравнивая с установкой конструкции на земле), а бак с водой (аккумулирующий) устанавливают в помещении, где производят наиболее выгодную установку сети горячей воды. Трубами соединяются бак и коллектор. Циркуляция в системе обеспечивается гелиостанцией.

В бак можно установить нагревательный контур для обеспечения необходимой температуры воды (теплоносителя). Коллектором накапливается солнечное излучение вне зависимости от погодных условий, и коэффициент поглощения составляет 96%. Для эффективного использования кровли при накоплении энергии коллектор устанавливают под углом 30-40°. Чтобы поддерживать отопление в системе применяют так называемый буферный бак - автоматизированная система, применяемая для поддержания и сохранения тепла, полученного от альтернативного источника и других видов источников, например котел, работающий на электричестве и же на другом виде топлива. Нагретая от второстепенных источников вода используется как теплоноситель для системы отопления. Касательно контроллера, он обеспечивает оптимальные параметры циркуляции в системе и способствует обеспечению необходимой заданной температуры.

Такая система эффективна тем, что обеспечивает в в ночное время привлечение минимально необходимой энергии для поддержания оптимальных параметров в помещении.

Основные достоинства плоских солнечных коллекторов:

• Простота конструкции;

• Высокая производительность (во время пиковой инсоляции);

• Приемлемая стоимость;

• Возможность сэкономить на подогреве воды;

• Длительный эксплуатационный период;

• Возможность самостоятельного изготовления колллектора из-за отсутствия сложностей в конструкции;

• Возможность использования как основного и допольнительного источника энергии;

• Эффективность системы в поясах с умеренным и холодным климатом при низкой интенсивности потока солнечной радиации.

Вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумные солнечные коллекторы способны нагревать воду до 300°С. Главным конструктинвным отличием такого коллектора является наличие стеклянных трубок, внутри которых размещены другие трубки, по которым движется теплоноситель. А между внешней и внетренней трубками находится вакуум, благодаря чему сохраняется тепло и эффективность увеличивается на 30% по сравнению с плоскими коллекторами.

Рис.2. Вакуумный солнечный коллектор

Обычно внешнее стекло трубки является прозрачным, а на поверхность внутренней наносят высокоселективное покрытие для улавливания солнечной энергии. Тепловые трубки, которые применяются в таких коллекторах, выполняют роль проводника тепла. При попадании солнечных лучей на установку, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, превращаясь в пар, поднимается наверх, после чего пар, конденсируясь,

передает тепло коллектору.

Рис.3. Процесс работы вакуумных трубок

Такая схема работы установки помогает увелечить КПД в условиях низких температур и недостаточной освещенности.

Благодаря новым технологиям, современные солнечные коллекторы способны нагреть воду до температуры кипения даже при низких(минусовых) температурах.

Принцип работы

Солнечная энергия абсорбируется и превращается в тепло с помощью покрытия вакуумных трубок. Теплопередача осуществляется от теплообменного стержня через гильзу к воде резервуара. Комплект системы включает в себя трубки, внешний бойлер, контроллер, и соответственно при этом должен быть обеспечен устойчивый монтаж.

Вакуумные трубки способны поглощать инфракрасные лучи, поэтому коллектор может работать и в пасмурные дни. Количество солнечного излучения поступающего на вакуумный коллектор не подвержено изменению в связи с формй трубок, и поэтому по сравнению с плоским коллектором вакуумный поглощает больше излучения. Солнечные лучи падают на поверхность под прямым углом, тем самым сводят отражение к минимуму.

Трубки коллектора располагаются параллельно, а угол наклона трубок зависит от широты местарасположения установливаемой системы отоплени. Черный свет трубок коллектора отлично сочетается к кровлей. Данная конструкция может иметь соединительные выходы сбоку и сзади, чтобы позволяет устанавливать несколько коллекторов вплотную, и образовывать единую конструктивную систему значительной площади.

Боковое соединение используется в случае необходимости установки конструкций в ряд, а также для снижения перепада давления. В чем преимущество установки такого вида коллектора? В том, что трубки следуют движениею солнца в течении дня, и при необходимости можно уменьшать площадь, снимая или добавляя трубки, также замена трубок не требует приостановки работы системы. Вакуумные солнечные коллекторы хорошо обслуживают дом горячей водой, эффективны для использования в обеспечении отопления, и возможно применение в системах вентиляции зданий и соооружений различного назначения.

Высокая стоимость солнечных коллекторов была едиственным препятствием на пути применения их в широком спектре. Однако, продажа набирает обороты. По сравнению с солнечными плоскими коллекторами вакуумные дороже в цене, и не находят масштабного применения. Приемлемая цена и эффективность систем делают их рациональными для использования и срок окупаемости соответственно не большой.

Гелиосистемы различают: с замкнутым и незамкнутым контуром.

В геолисистемах с замкнутым контуром теплообменник размещают как внутри бака-аккумулятора, так и снаружи. А коллекторы с незамкнутым контуром используют в теплых климатических широтах, где нет опасности замерзания. Вакуумные коллекторы применимы как закрытых, так и в открытых системах, так как выполняют роль конроллера давления, температуры и оказывают защитное воздействие для предотвращения замерзания.

Солнечный коллектор не имеет встроенного бака-аккумулятора и в теплопроводе вмещается малое количество воды. Циркулиция теплоносителя обеспечивается циркулиционным насосом. Скорость потока, необходимая для работы системы, обычно не превышает 2м/с. Поэтому достаточно установить циркулиционный насос малой мощности. Насосы большой мощности необходимы в случае установки большого контура из солнечных установок, и для компенсации потерь напора теплоносителя в системе. Эффективность солнечных коллектор заключается в том, что внутренняя трубка защищена теплоизоляционным слоем, в результате чего теплопотери в системе сводятся к абсолютному минимуму, и соответственно производительность систем очень высокая в течение целого года.

Как и любие другие конструкции и системы, вакуумные коллекторы имеют свои достоинства и недостатки:

-Вакуумные коллекторы хороши тем, что ими можно достичь высоких температур;

-Эффективны для использования в холодный период года;

-При неполадках можно заменить поврежденные трубки, но система будет продолжать работать;

-Отличается хрупкостью в сравнениии с плоским коллектором.

Преимущества солнечных водонагревателей перед электрическими:

-Расходы на обслуживание низкие

-Возможность нагревать большой объем воды (до 300л)

-Срок службы сравнительно большой (15-30лет)

-Отсутствие пагубного воздействия на окружающую среду

-Цена на содержание и обслуживание не зависит от повышения тарифов на электроэнергию

Подводя итог, мы не имеем однозначного ответа на вопрос «Какой коллектор наиболее выгоднее для использования?». У каждого коллектора свои преимущества и недостатки. Эффективность обеих видов конструкций высока, но существенная разница - это разница в стоимости, надежности, и сроке экмплуатации. Вакуумные более дорогие и даже ручная сборка требует немалых усилий. А плоские надёжны, сравнительно дешёвые, и на данный момент именно они используются повсеместно, учитывая длительный срок их эксплуатации.

Список используемой литературы

1. "Солнечная энергетика" Умаров Г. Я., Ершов А. А.

2. Солнечный коллектор. [Электронный документ] URL: http://tehstudent.net/publ/novye_tekhnologii/solnechnyj_kollektor/2-1-0-435

3. Солнечный коллектор: Описание, классификация, отзывы. [Электронный документ] URL: http://energomir.net/alternativnaya-energetika/solnechnyj-kollektor-opisanie-klassifikaciya-otzyvy.html

4. Альтернативные источники энергии. [Электронный документ] URL: http://greenplaneta.org/posts/solnechnyj-kollektor-ploskij-ili-vakuumnyj-kakoj-luchshe/

5. Солнечный коллектор для системы отопления. [Электронный документ] URL: http://teplo.guru/eko/solnechnye-kollektory.html

6. Виды солнечных коллекторов. [Электронный документ] URL: http://www.dom-spravka.info/altenergo/gl0500.html

7. Разновидности солнечных нагревателей для воды и их применение. [Электронный документ] URL: http://solarb.ru/raznovidnosti-solnechnykh-nagrevatelei-dlya-vody-i-ikh-primenenie

8. Солнечный коллектор - водонагреватель для дома, бассейна. [Электронный документ] URL: http://domekonom.su/solnechnyj-kollektor-vodonagrevatel-dlja-doma-bassejna.html

Код для цитирования: Скопировать