Солнечные воздушные коллекторы
Солнечная энергия доступна в любой точке планеты, она бесплатна и безопасна, но ее аккумуляция и использование связаны с большими трудностями, а КПД установок, работающих на энергии солнца, как правило, невелик.
Одним из самых перспективных направлений использования солнечной энергии является гелио термальная энергетика, занимающаяся использованием тепла, полученного при нагревании поверхности предмета солнцем для отопления или нагрева воды.
Этот способ использования солнечной энергии является наиболее простым, дешевым и удобным. Его эффективность во многом определяется географическим местом расположения гелио термальной установки, временем года и временем суток.
Для того, чтобы понять, о чем именно идет речь, рассмотрим простой пример. Попробуйте на ощупь поверхность, освещаемую через оконное стекло ярким зимним солнцем: она будет теплой, причем ее температура может быть на 20-30 градусов выше температуры поверхности, расположенной рядом, но не освещаемой солнечным светом. А ведь при этом на улице может быть настоящий сибирский мороз. Как видите, даже зимой можно использовать энергию солнца для нагрева поверхностей предметов, только нужно научиться собирать и использовать эту тепловую энергию.
Простейшим устройством, позволяющим аккумулировать тепловую энергию солнечного света и направлять ее на обогрев зданий, является солнечный воздушный коллектор. Его конструкция предельно проста и напоминает устройство обычной теплицы, которую можно встретить на любом дачном участке. Основным элементом коллектора является теплоизолированная пластина, окрашенная в черный цвет.
Сама конструкция коллектора напоминает ящик, накрытый прозрачной пластиной, свободно пропускающей солнечный свет. Модель работы коллектора предельно проста ( смотрите рисунок): солнечный свет проходит через прозрачную поверхность, нагревает пластину, а полученное тепло потоком воздуха передается помещение, в котором далее используется для его обогрева. Единственным условием успешной работы воздушного коллектора является непрерывная циркуляция воздушного потока.
Следует отметить, что для устройства воздушных солнечных коллекторов можно использовать не только металлические пластины, но и любые другие материалы, имеющие черную поверхность и хорошо поглощающие и аккумулирующие тепло.
При разработке наиболее эффективных моделей воздушных коллекторов ученые теплотехники использовали различные материалы: черную ткань, стекло со специальным темным покрытием, и конечно металл. Опытным путем было установлено, что металл использовать выгоднее, он имеет высокую теплопроводность, что позволяет равномерно нагревать его поверхность, исключая при этом точки перегрева.
Но при этом немалое значение имеет и форма пластин коллектора, а также способ их крепления и угол наклона.
На рисунке представлена схема воздушного солнечного коллектора, с ребристой поверхностью теплопоглощающего элемента, что позволяет улучшить эффективность передачи тепла к месту его использования.
Воздушный солнечный коллектор Дж. Лефа:
1 - впуск холодного воздуха;
2 - изолированное днище;
3 - черное покрытие;
4 - выпуск горячего воздуха;
5 - верхнее стеклянное покрытие;
6 - прозрачное стекло;
7 - промежуток в 6,3 мм.
Дело в том, что недостаточно нагреть аккумулирующую пластину, нужно еще передать тепло движущемуся воздушному потоку. При этом происходит конвективный теплообмен, который является наиболее интенсивным в турбулентной зоне. Понять что такое турбулентность можно на примере перемешивания чая в стакане ложкой. При этом возникают различные потоки жидкости, активно перемещающиеся в хаотичных направлениях.
Для создания турбулентности или, проще говоря, перемешивания воздушного потока используются различные ребристые поверхности. Например, такие сечения, как представлено на рисунке.
Стальная пластина теплоприемника с усеченными V-образными волнистостями.
Для создания зон турбулентности используются не только различные сечения, но и пластины с мелкими отверстиями, шероховатая поверхность или поверхность с тонкими металлическими волосками, как представлено на рисунке ниже.
Следует также добавить, что для работы коллектора важно обеспечить его герметичность, ведь циркулирующий в нем воздушный поток при наличии даже небольших щелей, может привести к потере тепла.
В общем, конструкция воздушного солнечного коллектора достаточно проста и при желании может быть изготовлена и установлена самостоятельно. Для того, чтобы обеспечить отопление в доме и в ночное время, необходимо днем проводить аккумуляцию тепла, нагревая, например, теплообменник, расположенный под полом дома.
На рисунке приведена схема отопления дома с помощью воздушного коллектора, установленного на крыше.
К сожалению, КПД таких установок пока не высок и полученного тепла достаточно для обогрева помещений только осенью или весной.
Для определения эффективности этой установки можно провести небольшой расчет.
Для этого нужно определить полную тепловую нагрузку, получаемую за счет солнечной энергии в течение месяца.
Среднемесячная удельная суточная производительность плоского солнечного коллектора, МДж/(м2день)
где
Ек - среднемесячное поступление солнечной энергии на поверхность коллектора за день, МДж/(м2день);
Ф - среднемесячная величина степени использования солнечной энергии в плоском солнечном коллекторе.
Для средней полосы с учетом всех данных можно утверждать, что воздушный солнечный коллектор можно использовать для отопления дома, начиная с февраля и по ноябрь включительно. Затраты на его приобретение окупаются в течение первого года эксплуатации. Идеальным вариантом является совмещение коллектора с обычными источниками тепла.
