Сравнение конструкций различных солнечных коллекторов

Площадь солнечного коллектора.
     Солнечный коллектор ЯSolar имеет площадь в 2 м². Сторона, обращенная к солнцу, покрыта специальным светопоглощающим слоем и имеет практически 95%-е поглощение тепла. Обратная (теневая сторона) имеет специальное двухслойное утепление 70мм. Подсчитаем потери тепла, происходящие на теневой стороне. Коэффициент теплопередачи утеплителя равен 0,03 Вт/м*°С. С учетом толщины и перепада температуры например в 45°C, получим потери равные 50 Вт. Торцы солнечного коллектора, трубы и пр. будут излучать меньше тепла. Из-за специального селективного покрытия и правильно подобранного расстояния между стеклом и абсорбером излучение тепла и конвекция воздуха будут минимальны. В итоге получаем теплопотери двухметрового плоского солнечного коллектора 250-450 Вт. Данные потери подтверждаются испытаниями и сертификатами солнечного коллектора.
     Для расчета будет брать поток солнечной энергии равный 1000 Вт/м², вычитаем теплопотери и получаем величину 700 Вт/м². Для плоского коллектора площадью 2м² реальная тепловая мощность при разнице температуры 45°C составляет 1300-1400Вт.
     При наличии автоматики, плоские солнечные коллекторы начинают работать при температурах, превышающих всего на несколько градусов температуру нагреваемой жидкости. Это особо актуально для нагрева бассейнов и холодных теплоносителей (например, для тепловых насосов), благодаря этому уменьшаются теплопотери и увеличивается эффективность.

Следует иметь ввиду, что площадь абсорбера типового китайского вакуумного коллектора с 18 трубками диаметром 47 мм и длинной 1,8м составляет всего 0,047м*1,8м*18= 1,522 м². При лучшем их КПД 75%, основанном на реальных данных центров сертификации, при идеальных погодных условиях 1000 Вт/м² один солнечный коллектор с вакуумными трубками вырабатывает только 1100 Вт. Значений выше этих получить физически не возможно, энергия не берется из ни от куда.

Апертура абсорбер плоского и вакуумного солнечного водонагревателя
Рабочая площадь плоского и вакуумного солнечного водонагревателя

Отношение апертуры (рабочей поверхности) к общей площади солнечного коллектора у вакуумного водонагревателя в два раза меньше, чем у плоского солнечного коллектора. Следует иметь ввиду, что площадь абсорбера типового китайского вакуумного коллектора с 18 трубками диаметром 47 мм и длинной 1,8м составляет всего 0,047м*1,8м*18= 1,522 м².

Конструкция качественного плоского солнечного коллектора.
Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Прозрачный элемент (стекло) обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов. Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Для её повышения применяется специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора также стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности.

Теплопотери в плоском солнечном коллекторе

Конструкция солнечного коллектора с вакуумной трубкой
Стеклянные вакуумные трубки по конструкции являются термосами – одна трубка расположена в другой, между ними технический вакуум. В стеклянную трубку, вставляются медные термотрубки, соединенные со стеклянные трубками тонкими листами алюминия.

Конструкция вакуумного коллектора

Термотрубка - это закрытая медная труба с небольшим содержанием "легкокипящей жидкости". В качестве "легкокипящей жидкости" используется обычная вода под низким давлением. Под воздействием тепла жидкость испаряется при температуре около 30°С и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть головки, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура с незамерзающей жидкостью. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова. Но дальнейшем повышении температуры плотность пара будет расти, а плотность воды будет падать. В критической точке плотность станет одинаковой, и процесс конденсации и испарения прекратится, поступающая энергия передается только за счет стенки латунного стержня, при её небольшой толщине (0,5 мм), эффективность передачи будет мала.
Приемник солнечного коллектора латунный с изоляцией, в лучшем случае, из минеральной ваты толщиной обычно всего 4 см, закрыт листом жести.

Реальный КПД вакуумного солнечного коллектора, водонагревателя зимой

Реальный КПД вакуумного солнечного коллектора 70%.

Эффективность вакуумного солнечного коллектора складывается из потерь на отражение и поглощение двойного стекла и теплопотерь, связанных с излучением тепла поглощающим слоем. Также неэффективность получается из-за того, что солнцем нагревается поверхность внутренней стеклянной колбы, от которой тепло передается через стекло (плохой теплопроводник) тонким алюминиевым пластинам на медную трубку.
Значительны теплопотери возникают через изоляцию приемника коллектора, выполненную из минеральной ваты.

Работа зимой вакуумного и плоского солнечного коллектора

Начальный КПД (оптический) вакуумных коллекторов ниже чем у плоских на 10-15%. Это подтверждается всеми исследованиями и сертификатами, да и продавцы вакуумных коллекторов не скрывают это. Поэтому при разнице нагреваемого теплоносителя и окружающего воздуха до 50°C эффективнее качественные плоские солнечные коллекторы. При большей разнице эффективность вакуумных по отношение к плоскими является незначительной, при этом световой день в зимний период уменьшается в разы. Поэтому общая годовая производительность тепловой энергии качественных плоских солнечных коллекторов будет выше.

Любые солнечные коллекторы установленные под углом до 50-70° часто засыпаются снегом, после чего они не работают. Только у плоских солнечных коллекторов возможно реализовать режим принудительной оттайки, путем пропускания горячего теплоносителя несколько минут через солнечный коллектор. Выпавший снег растапливается из-за минимальных теплопотерь через стекло и соскальзывает.

Также только плоские солнечные коллекторы могут монтироваться вертикально для получения максимум тепловой энергии в зимний период. Термосифонные системы (без электричества) с естественной циркуляцией антифриза круглогодичного использования возможны только с плоскими солнечными коллекторами.

В зимний период вакуумные трубчатые коллекторы могут покрываться инеем на достаточно продолжительный период. Особенно это актуально для регионов с резким перепадом температур и высокой влажностью.

Улавливание и отражение солнечного света

Падение и отражение света от вакуумных трубок

Благодаря цилиндрической форме трубок солнечные лучи падают на постоянную поверхность перпендикулярно к оси трубки, но при этом все остальные лучи, не перпендикулярные оси трубки, будут отражаться. Это означает что в течении дня получение энергии будет усредненное, в том числе во время прихода максимальной солнечной энергии. Плоские же солнечных коллекторы в период максимальной солнечной интенсивности 11.00-16.00 улавливают максимально возможное количество тепловой энергии. Отражение по вертикале (вдоль трубок) будет такое же как и у плоских солнечных коллекторов.

Реальный КПД солнечных коллекторов различных конструкций
в зависимости от разницы температуры коллектора и окружающей среды.

При выборе солнечного коллектора любой конструкции необходимо учитывать их отличия, стоимость, реальный КПД, цели и климат использования. Идеальных конструкций нет! Доверять проектирование следует профессионалам, имеющим большой опыт монтажа и эксплуатации систем с надёжными солнечными коллекторами. Наши специалисты будут рады оказать Вам качественную помощь в решении задач солнечной энергетики и предоставить объективную консультацию.