Как работают солнечные коллекторы различных видов

Принцип работы солнечных коллекторов основан на трансформации лучистой энергии солнца в тепловую энергию. Происходит это путем нагревания циркулирующего в коллекторе теплоносителя (чаще всего воды, иногда – антифриза) и последующей передачи накопленного тепла. Иными словами, солнечный коллектор работает как своего рода водонагреватель, что и определило его сферу применения (ГВС частных домов, отопление).

Общий принцип водонагрева

Существуют различные виды гелиоколлекторов, однако в водонагревательных установках все они работают по одной схеме. Солнечные лучи нагревают теплоноситель, который по тонким трубкам поступает в заполненный водой бак. Трубки с теплоносителем проходят через весь внутренний объем бака и нагревают находящуюся в нем воду. В дальнейшем эта вода расходуется на бытовые нужды (отопление, ГВС и т.д.). Температура воды в баке контролируется специальными датчиками, при ее охлаждении ниже заданного минимума автоматически включается резервный подогрев (обычно – газовый или электрокотел).

Такова общая схема работы всех солнечных водонагревательных установок. Что же касается работы плоских и вакуумных коллекторов, то, несмотря на единый принцип действия (нагрев теплоносителя от солнца и последующую отдачу тепла), в их работе много различий.

Плоские коллекторы

Плоский солнечный коллектор нагревает теплоноситель при помощи пластинчатого абсорбера. Устроен он довольно просто. По сути, это пластина теплоемкого металла, выкрашенная сверху в черный цвет специальной краской. К нижней поверхности пластины плотно прилегает (приваривается) змеевидная трубка, по которой и циркулирует жидкость.

Черная селективная краска обеспечивает максимальное поглощение солнечных лучей, причем их отражение практически равно нулю. Поглощенные лучи прогревают теплоноситель под абсорбером, он, в свою очередь, подается далее в систему. Для минимизации теплопотерь применяются теплоизоляция абсорбера от корпуса коллектора и закаленное стекло, почти не содержащее окислов железа. Оно устанавливается над абсорбером и выполняет функцию верхней крышки корпуса. Кроме того, использование подобного стекла позволяет создать своеобразный «эффект парника», что еще больше увеличивает прогрев абсорбера, а значит, и температуру теплоносителя.

Вакуумные коллекторы

Принцип работы вакуумных коллекторов иной. Объясняется это прежде всего разницей в конструкции. Главным рабочим элементом в вакуумных моделях является не пластина абсорбера, а система вакуумированных трубок и теплосборник. Причем вариантов конструкций таких трубок несколько.

Тем не менее, несмотря на конструктивные различия, общая схема действия таких трубок фактически одинакова. Стеклянная поверхность поглощает максимум солнечных лучей благодаря специальному высокоселективному покрытию. Энергия солнца нагревает внутренний теплоноситель, а вакуумная прослойка ликвидирует теплопотери, так как вакуум – лучший изолятор. Через теплосборник аккумулированное тепло поступает далее в систему и используется для нагрева воды в баке-накопителе.

В целом коллектор этого типа обеспечивает более высокую производительность по сравнению с плоским аналогом.

Вакуумные трубки

Устройство классической вакуумированной трубки довольно просто. Она представляет собой двухстенную стеклянную колбу, между стенками которой создан вакуум. Внутри расположен медный сердечник (тепловой канал). Такая трубка называется «коаксиальной». Еще один вид — так называемые «перьевые трубки», одностенные колбы с вакуумом в самом тепловом канале.

Принцип работы вакуумной трубки зависит от особенностей строения ее теплового канала и от типа самой колбы. Каналы же, как и колбы, бывают двух видов, прямоточные и типа heat pipe.

Действие прямоточных каналов основано на непосредственном протекании теплоносителя через U-образную медную трубку. Охлажденная жидкость попадает в трубку из теплосборника, проходит через нее, нагревается и возвращается в теплосборник. Там она отдает накопленное тепло основному теплоносителю и возвращается в трубку.

Трубка heat pipe работает несколько иначе. Принцип ее работы основан на переносе тепла посредством легко испаряющейся жидкости, заключенной в тепловом канале. Сам канал (трубка) выполняется из теплоемкого металла (алюминий, медь). Солнечный свет нагревает жидкость, она испаряется из нижнего конца трубки и конденсируется в теплосборнике. Конденсат стекает вниз, где его вновь разогревает солнечный свет. Основной теплоноситель забирает тепло из теплосборника и передает его через коллектор дальше в систему.

Теплосборник

Помимо трубок, вакуумный солнечный коллектор оснащен теплосборником, которые необходим для передачи тепла от трубок к теплоносителю. Размещается теплосборник в верхней части агрегата. Принцип его работы следующий. Медный сердечник передает накопленную энергию основному теплоносителю, циркулирующему в замкнутом круге «теплообменник бака – коллектор». Циркуляцию обеспечивает специальный небольшой насос. Причем если температура теплоносителя упадет ниже определенного минимума (например, ночью), то управляющая автоматика водонагревательной системы отключит насос. Таким образом предотвращается обратный прогрев, при котором теплоноситель будет забирать тепло горячей воды в накопительном баке.

Воздушные коллекторы

Солнечный коллектор воздушного типа гораздо менее распространен. Применяется он не для подогрева воды, а для нагрева и кондиционирования воздуха. Роль теплоносителя в нем играет собственно воздух, нагреваемый солнечными лучами. По сути, данный коллектор представляет собой ребристую металлическую панель, выкрашенную в черный цвет. Принцип работы его основан на естественной или принудительной подаче в помещения воздуха, который прогревается под панелью под действием солнечных лучей.