Общая теория солнечных коллекторов

 

В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м², достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в любом (независимо от широты) месте, около 1 000 Вт/м². В условиях средней полосы России солнечное излучение "приносит" на поверхность земли энергию, эквивалентную примерно 100-150 кг у.т./м² в год.

 

Традиционный плоский солнечный коллектор представляет собой теплоизолированный со всех сторон ящик, внутри которого помещена тепловоспринимающая металлическая или пластиковая панель, окрашенная для лучшего поглощения солнечного излучения в темный цвет (или покрытая специальным оптическим селективным покрытием, хорошо поглощающим относительно коротковолновое солнечное излучение и мало излучающее в инфракрасной области) и закрытая сверху светопрозрачным ограждением (один или два слоя стекла или прозрачного стойкого под воздействием ультрафиолета пластика). Панель является теплообменником, по каналам которого прокачивается нагреваемая вода. Вода направляется в теплоизолированный бак, гидравлически соединенный с солнечным коллектором. За день вода из бака может несколько раз проходить через коллектор, нагреваясь до расчетного уровня температуры, зависящего от соотношения между объемом бака и площадью солнечного коллектора, а также от внешних условий. Циркуляция воды в замкнутом контуре солнечный коллектор – бак - солнечный коллектор может осуществляться принудительно с помощью небольшого циркуляционного насоса или естественным образом за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и нагретой воды. В последнем случае бак должен располагаться выше верхней отметки солнечного коллектора.

 

Существует свыше 300 схемно-конструктивных решений гелиоустановок в зависимости от цели, назначения и объема использования. В наиболее простом варианте установка включает в себя один или несколько солнечных тепловых коллекторов, которые смонтированы наклонно, под углом, оптимальное значение которого зависит от географической широты в направлении юг-север, а также бак-аккумулятор (который располагается как правило над коллектором), соответствующие подставки, трубопроводы и запорные элементы.

 

Мощность установки зависит от площади гелиополя, климатических условий местности и некоторых других факторов.

 

В условиях средних широт, при площади нагрева 0,8 м2 и объеме теплоносителя (воды) 5,6 л. расчетной температуре воды 60°С, средняя теплопроизводительность за сезон (март-октябрь) 100 л в день, и мощность 0,55 кВт/м2. Необходимые теплопроизводительность и мощность гелиоустановки достигаются при определенном числе коллекторов (площади гелиополя), соответствующих им объемах баков и проходном сечении трубопроводов.

При сравнительно простой схеме гелиополя, когда прозрачное покрытие коллекторов располагается в одной плоскости, естественная циркуляция теплоносителя происходит по каналам в виде змеевика. Это несколько снижает теплопроизводительность системы. Более эффективной является схема гелиополя, когда коллекторы компонуются в блоки, каждый из которых имеет свой наклон в направлении юг-север. Это вариант проточной циркуляции теплоносителя.

Разработаны и находят применение двухконтурные гелиоустановки, в которых в первом контуре (располагается снаружи помещений) применяют незамерзающие теплоносители, а во втором — как правило, воду. Такие установки можно использовать круглый год. Имеются установки, которые могут функционировать в одном и двух контурах.

 

В Дании, например - типовая система нагрева воды на одну семью имеет солнечный коллектор площадью 3-6 кв. м., с водяным баком на 200-300 л и стоит $2500-5000. Солнечный коллектор сберегает около 600-700 кВтч/ м² в год;