Солнечный гидроколлектор
Солнечный водный коллектор (гидроколлектор) представляет собой уникальное устройство, используемое для нагрева воды для хозяйственных нужд и отопления жилых домов. В основе его принципа действия лежит передача тепла, полученного от солнца, холодной воде.
Рассмотрим подробно, как работает солнечный гидроколлектор. Он представляет собой панель черного цвета, поглощающую энергию солнца и аккумулирующую ее, внутри которой по специальным каналам движется незамерзающая жидкость.
Каналы коллектора соединены с бойлером, образуя с ним единую замкнутую систему. При этом тепло, полученное от солнца, передается холодной воде, проходящей через бойлер, нагревая ее. Для того, чтобы система нагрева воды работала бесперебойно и не зависела от погоды, к бойлеру подключают дополнительный источник энергии, например, электрический тэн. Нагретую таким образом воду можно использовать для горячего водоснабжения или отопления.
На рисунке приведена принципиальная схема использования солнечной энергии для горячего водоснабжения дома. Коллектор можно устанавливать в любом месте, ориентируя его на юг. Для того, чтобы улавливать большее количество солнечных лучей, используются вращающиеся модули, которые могут поворачиваться в зависимости от положения "небесного светила".
Но при размещении коллектора следует учитывать, что его пластины должны иметь большую площадь и не всегда можно найти достаточное пространство для их установки. В этом случае лучшим выходом из положения может быть установка коллектора на крыше.
На сегодняшний день в продаже имеются различные солнечные гидроколлекторы, при выборе которых нужно учитывать их конструктивные особенности.
Самым простым и распространенным является плоский гидро коллектор. Он представляет собой систему труб, по которым движется теплоноситель, закрепленную на теплопоглощающей панели. Для улучшения нагрева движущейся по трубкам жидкости их стараются сделать как можно меньшего диаметра. Это в свою очередь создает опасность замерзания жидкости в змеевиках в ночное время даже при небольших заморозках, что в свою очередь, может привести к выходу из строя всей системы. Для решения этой проблемы можно сливать жидкость в случае угрозы ночных заморозков. С этой целью на каждом патрубке предусматривается сливное отверстие.
Можно также использовать постоянную циркуляцию жидкости в коллекторе, подключив его к насосу, но такой способ может свести на нет весь полученный тепловой эффект и экономическую выгоду.
По этой причине плоские гидроколлекторы в основном применяются в летнее время для нагрева воды для бытовых нужд и подогрева воды бассейнов. Вода в них может нагреваться до 60 градусов.
Они недороги и удобны. Трубки для улучшения теплообмена и уменьшения потерь тепловой энергии помещают в ящик со стеклянной крышкой, а их поверхность окрашивают в черный цвет.
Недостатком плоских гидроколлекторов является их сравнительно быстрый выход из строя, связанный с наличием конденсата на трубах и ускоренной коррозией металла. Установка в коллекторе резиновых или пластиковых труб уменьшает кпд устройства. Но все эти недостатки актуальны только в средней полосе, на юге страны такие коллекторы являются идеальным способом нагрева воды.
В условиях умеренного климата нужно использовать гидроколлекторы, в которых патрубок помещен в стеклянную колбу с созданным в ней вакуумом. Солнечная энергия проходит через стекло, попадает на патрубок, по которому движется теплоноситель, и нагревает его. При этом потерь тепла практически нет, ведь трубы находятся в безвоздушном пространстве, а значит, исключены условия для конвективной передачи тепла. Теплопроводности при этом также нет, а тепловое излучение минимально, ведь поверхность труб окрашена в черный цвет.
В таких вакуумных трубках жидкость нагревается до 80 градусов, что уже достаточно не только для нагрева холодной воды, но и для отопления. В солнечную погоду при прямом падении лучей возможно закипание жидкости в коллекторе. Для исключения такой аварийной ситуации предусматривается специальный клапан для сброса пара и уменьшения давления в системе.
Нагретая жидкость циркулирует по замкнутому контуру и нагревает воду в теплообменнике. Вакуумные гидро коллекторы можно соединять между собой, увеличивая или уменьшая производительность устройства.
Вакуумные коллекторы являются наиболее эффективными. Именно они составляют самое перспективное направление гелио термальной энергетики. На сегодняшний день уже разработаны и активно применяются в быту гидроколлекторы, работающие без бойлера. Нагрев воды происходит непосредственно в трубах, расположенных в вакуумном пространстве и вмещающих до 20 литров воды. Такой коллектор по эффективности не уступает бойлеру, работающему от электрического тэна.
Есть модели гидроколлекторов, оснащенные специальным отражателем для фокусировки солнечных лучей. Их можно использовать круглый год. Следует также добавить, что вакуумные устройства можно использовать и при рассеянном солнечном свете. Единственным недостатком этих устройств является их высокая стоимость, определяемая сложностью изготовления коллекторов.
Оценить эффективность любой модели водного коллектора можно при проведении несложного рассчета
Q - количества тепла, полученного водой, находящейся в теплообменнике, которое и является общим показателем тепловой эффективности устройства
λ - коэффициент теплопроводности, характеризующий способность материала, из которого сделаны трубы коллектора, передавать тепло от нагретой среды к нагреваемой.
Для справки, этот показатель оптимален для медных труб.
R - коэффициент теплового сопротивления, помогающий выбрать оптимальное соотношение толщины стенки трубок изготовленных из различных материалов.
ớ - толщина стенки
tc - температуры нагретой солнцем поверхности и воды
Температура нагрева поверхности трубки солнцем определяется опытным путем. Ее значения можно найти в теплотехническом справочнике. В результате несложного расчета можно установить, что все водные коллекторы эффективны в средней полосе в период с марта по октябрь. Вакуумные коллекторы можно использовать круглый год.
