Солнечные коллекторы. Типы, принципы действия и методы расчета

Солнечные системы отопления могут быть пассивными и активными. Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразую­щего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (зда­ние-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (рисунок 3.9)

Рисунок 3.9. Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления "стена-коллектор".

1 - солнечные лучи; 2 - лучепрозрачный экран; 3 - воз­душная заслонка; 4 - нагретый воздух; 5 - охлажденный воздух из помеще­ния; 6 - собственное длинноволновое тепловое излучение стены; 7 -черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 - жалюзи.

Активные солнечные системы имеют нагреватель, воспринимающий энергию солнечного излучения и отдающий тепло нагреваемым элементам.

Солнечный коллектор состоит из приемной панели, поглощающей поток солнечного излучения и передающей тепло теплоносителю (жидкости или газу), и сервисной сети (трубопроводы, перекачивающие насосы и т.п.). Для повышения эффективности приемная панель теплоизолирована со всех сторон, при этом сторона, обращенная к солнцу, закрывается прозрачным селективным покрытием (рисунок 3.10)

Рисунок 3.10. Схема солнечного коллектора

С селективным покрытием

1 – теплоизоляционный корпус, 2 – селективное покрытие, 3 – воздушный промежуток, 4 – приемная панель, 5 – падающий луч света, 6 – отраженный луч, 7 – преломленный луч, 8 – ход света между приемной панелью и селективным покрытием.

Селективное покрытие пропускает бόльшую часть спектра и отражает инфракрасные лучи. Прошедший через селективное покрытие свет, отражается от теплопоглотителя в виде инфракрасных лучей, которые в свою очередь отражаются от внутренней стороны селективного покрытия и обратно попадают на теплопоглотитель. Таким образом, значительно снижаются потери тепла посредством отражения.

Оптимизация параметров ориентации солнечных коллекторов

Солнечные нагревательные установки с теплоизоляцией и селективным покрытием позволяют получить температуру теплоносителя (обычно воды) порядка 80 – 100°С без применения концентраторов солнечного излучения. Такой температуры достаточно для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Однако солнечные коллекторы для максимального получения энергии солнечного излучения должны быть ориентированы должным образом.

Оптимальный азимутный угол ориентации солнечного коллектора не зависит от угла его наклона к горизонту.

a_i - средний угол солнца над горизонтом в i-тый период времени, град;

g_сi - средний азимут солнца за i-тый период времени, град.

Sг – плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность, Вт/м².

Оптимальный угол наклона солнечного коллектора к горизонту зависит от его азимутального угла g_опт.

                                        (3.26)

Аккумулирование тепла

Аккумулирование тепловой энергии основано на нагреве какого-либо тела. Если тело нагрето до какой-то температуры, то оно при соприкосновении с другим телом или окружающей средой с меньшей температурой передаст ему некоторое количество тепла.

Количество тепла, запасенное телом, которое может быть в последующем отдано окружающей среде или другому телу, определяется по формуле /1, 9/:

Q = cm(t_Т – t_ОС)                                                                     (3.27)

где: Q – количество тепла, Дж;

с – теплоемкость аккумулятора тепла, Дж/град.кг;

m – масса аккумулятора тепла, кг;

t_Т – температура аккумулятора тепла, К.

Анализируя формулу (3.27), видно, что для повышения емкости теплового аккумулятора необходимо применять тела с большой теплоемкостью и большой массы. Кроме того, можно предположить эффективность нагревания аккумулятора тепла до максимально возможной температуры.

Значительно увеличить время остывания теплового аккумулятора можно путем создания фазовых превращений нагреваемых тел. Если в процессе нагревания и охлаждения происходят фазовые превращения аккумулятора тепла, например, его плавление, то количество теплоты определяется следующим образом:

Q = cm(t_Т – t_ОС) + mλ                                                                (3.30)

Здесь λ – удельная теплота плавления плавления, Дж/кг.

Если нагреть теплонакопитель до температуры фазового перехода, например, твердое вещество до температуры его плавления, то подводимое тепло будет идти на его фазовое превращение (плавление). При этом температура теплонакопителя не будет увеличиваться вплоть до полного его расплавления. После прекращения нагрева теплонакопитель начнет возвращаться в исходное твердое состояние без изменения температуры вплоть до полного затвердевания. И только после этого тепло будет расходоваться во внешнюю среду.