Солнечные коллекторы плоские: особенности и изготовление своими руками

Солнечный коллектор — плоский или вакуумный?

Плоский или вакуумный солнечный коллектор — плюсы и минусы

Добрый день, дорогие читатели. Зеленая планета продолжает раскрывать тему — альтернативные источники энергии.  Сегодня мы переходим от теоретической части (что такое солнечные коллекторы), к практической. Мы рассмотрим два основные вида солнечных коллекторов, проанализируем и сравним их характеристики, целесообразность и эффективность использования, с целью выяснить — какой солнечный коллектор лучше вакуумный или плоский.

Для начала, еще раз напомним общий принцип действия солнечного коллектора. С помощью данного устройства можно нагревать воду или отапливать здание. Лишь потратив деньги на его установку, вы будете получать экологически чистое тепло, а не покупать много киловатт электричества или использовать исчерпаемые ресурсы земли, такие как жидкое, газообразное или твердое топливо.

Сравнение плоских и вакуумных солнечных коллекторов.

Чтобы лучше разбираться в плюсах и минусах свойств плоских и вакуумных коллекторов, нужно обладать некоторыми знаниями, которыми мы и собираемся поделиться с нашими читателями, оценив и сравнив некоторые характеристики солнечных коллекторов.

Еще раз напомним, как выглядят солнечные коллекторы:

Плоский солнечный коллектор

Вакуумный солнечный коллектор

1. Прочность солнечных коллекторов

Существует мнение, что плоские солнечные коллекторы по своей конструкции куда прочнее вакуумных, и этому есть объяснение, плоский коллектор состоит из единой панели, и в отличии от вакуумного коллектора, с виду и по физическим данным выглядит прочнее. Но даже импортные плоские солнечные коллекторы вполне можно повредить. С другой стороны, случаи сильной непогоды, крупного града, ураганов или падения летательных аппаратов, которые способны повредить солнечные коллекторы, не так уж часто происходят в обычной среднестатистической местности.

С практической точки зрения, вакуумные коллекторы использовать удобнее, ведь такой коллектор состоит из множества стеклянных трубок. Если с коллектором что-то случится, то, возможно, повреждения коснуться одной или нескольких трубок, которые, во-первых, можно заменить, а во-вторых, можно сделать это не сразу, ведь остальные трубки останутся работоспособными. В случае повреждения плоского коллектора, он может целиком выйти из строя, и замена всей панели обойдется явно дороже замены одной или нескольких трубок вакуумного коллектора.

2. Снег и изморось для солнечных коллекторов

Для наших широт актуальность использования солнечных коллекторов в холодное время года не менее важна, поэтому важно знать некоторые особенности их зимней эксплуатации. Например, актуальный вопрос, как быть со снегом, который может скопиться на коллекторе и мешать его нормальной работе.

Следуя логике можно подумать, что на плоском коллекторе, установленном под углом 45 градусов, не задерживается снег, так как наклонная плоскость нагревается, и он будет лучше работать, без надобности его отчищать от снега. На практике, снег действительно подтаивает на солнце и сползает в нижнюю половину или треть коллектора, где может превращаться в снежно-ледяную корку. Вакуумные коллекторы, расположенные под углом 55-60 градусов, даже при небольшом ветре, легко обдуваются от снега естественным образом, если только они не установлены на земле, где намело сугробы.

Если же, и плоские и вакуумные коллекторы установлены на крыше или на земле, где собирается снег, то и тот и другой придется отчищать для нормальной работоспособности. Общее правило — чем больше угол наклона коллектора, тем меньше на нем будет собираться снег. Вакуумные коллекторы, установленные под углом от 55 градусов и выше, имеют еще одно преимущество перед плоскими коллекторами — они обладают повышенной устойчивостью к обильным снегопадам.

Также, существует мнение, что солнечные коллекторы покрываясь изморозью перестают нормально работать, на самом деле, изморозь не сильно влияет на работоспособность коллекторов. Изморозь обычно появляется после обильных осадков при повышенной влажности, как только выходит солнце, изморозь превращается в воду. Перед изморозью нет преимуществ ни у вакуумных, ни у плоских коллекторов.

3. Какой из солнечных коллекторов лучше подходит для систем отопления?

Продолжая тему использования солнечных коллекторов в холодное время хорошо бы выяснить, какой солнечный коллектор вакуумный или плоский лучше подходит для отопления зданий в зимний период. В холодное время года, системе солнечных коллекторов требуется большее время утром для нагрева теплоносителя и привода всей системы отопления в рабочее состояние, по сравнению с теплым периодом года.

Внешние части системы солнечных коллекторов соприкасаются с холодной окружающей средой, и теряют на этом какую-то часть тепла. Плоские коллекторы очень сильно теряют свою эффективность зимой, а вакуумные коллекторы за счет хорошей теплоизоляции, работают практически так же эффективно, как и летом.

Получается, что для отопления можно использовать оба типа коллекторов, для здания определенной площади эффективнее использовать вакуумные коллекторы, ведь если использовать плоские коллекторы, то понадобится в несколько раз больше самих коллекторов для поддержания той же мощности.

Этот факт понижает экономическую целесообразность использования плоских солнечных коллекторов в системе отопления, в холодное время года.

Также стоит отметить, что для обеспечения горячим водоснабжением эффективнее использовать вакуумные коллекторы, так как в облачную и пасмурную погоду, за счет минимального теплообмена с окружающей средой, они дают достаточно тепла для нагрева воды, в то время, как плоские коллекторы могут гораздо хуже справляться с данной задачей, перекладывая ее на резервную систему подогрева воды.

4. Стоимость солнечных коллекторов.

Стоимость солнечных коллекторов зависит в первую очередь от производителя. Скажем, плоские коллекторы, сделанные в европейских странах, будут дороже вакуумных солнечных коллекторов, выпущенных в Китае. С другой стороны, российские или китайские плоские коллекторы могут быть в разы дешевле вакуумных коллекторов.

Как показывает практика, искать самые дешевые варианты не имеет смысла, так как во-первых, эффективность плоских коллекторов, особенно в странах с холодным климатом, куда ниже использования вакуумных коллекторов, во-вторых, КПД и сроки эксплуатации дешевых солнечных коллекторов могут быть в разы меньше, чем у более дорогих и качественных.

Плоские солнечные коллекторы производятся в Европе, Китае и России, они отличаются размерами, мощность можно рассчитать стандартно — по площади коллектора.

Европейские плоские коллекторы можно найти по высоким ценам, обычно предлагаются качественные плоские коллекторы с максимальной эффективностью для данного вида.

Российские плоские коллекторы по качеству уступают европейским, в основном зависит от производителя, лучше образцы практически сравнимы по показателям с европейскими, худшие — сопоставимы с дешевыми китайскими аналогами, цены средние.

Китайские плоские коллекторы — лучшие сопоставимы с российскими, остальные, особенно выпускаемые без бренда, могут быть очень неэффективными, с нарицательным — товары из Китая, но по низким ценам.

Вакуумные солнечные коллекторы, в большинстве своем, производятся в Китае, и надо сказать, здесь китайские разработчики преуспели. Качество коллекторов зависит от крупности производства, есть признанные лидеры производства вакуумных коллекторов, например — Himin Solar, а также, на рынке можно встретить предложения совсем кустарных компаний, которые будут заметно уступать в качестве продукции брендовым производствам.

Выводы: Какой тип солнечного коллектора лучше выбрать для России?

Для обеспечения объекта горячим водоснабжением можно выбрать, как плоский, так и вакуумный солнечный коллектор. Единственное, что нужно помнить, что вакуумный коллектор имеет гораздо более высокие показатели эффективности в облачную или пасмурную погоду, а также, в холодное время года.

Для отопления в нашем климате подходит использование вакуумного коллектора, самый эффективный с U-образным нагревательным элементом.

Естественно, нужно позаботится о резервной системе отопления и нагрева воды, ведь в ночное время, пасмурные и облачные дни, солнечные коллекторы не могут в полной мере осуществлять свои функции.

И не стоит экономить на покупке качественных солнечных коллекторов. Выбирая вакуумный коллектор, придется обратить свой взор к китайским фирмам, но здесь лучше присмотреться только к известным брендам и не покупать «китайские» товары.

Чтобы представить масштабы развития китайской технологии — достаточно взглянуть на огромный комплекс компании Himin Solar, который обслуживает свои нужды в отоплении и электроснабжении собственной выпущенной продукцией.

Огромный комплекс использующий альтернативные источники энергии.

Плоский солнечный коллектор |

Плоский солнечный коллектор наиболее распространенный тип солнечных коллекторов, которые применяются в гелиосистемах во всем мире. Плоский коллектор  применяются в системах для подогрева воды и для поддержки отопления.

Плоские солнечные коллекторы в группе на крыше

Преимуществом плоского солнечного коллектора является относительная простота конструкции, которая позволяет удешевить систему при довольно высоких показателях производительности и надежности. Недостатком можно назвать высокие тепловые потери, которые снижают показатели выработки тепловой энергии при низкой температуре воздуха.
Конструктивно плоский коллектор выполнен в виде прямоугольной пластины. В теплоизолированном  корпус е коллектора находится основной элемент – абсорбер (поглощающая пластина).

Конструкция плоского солнечного коллектора

К абсорберу припаяны трубки.   Материал абсорбера и трубок может быть разным, как правило, применяются металлы с хорошими теплопроводящими характеристиками, такие как медь и алюминий.  Сверху поглощающая пластина закрыта прозрачной изоляцией. Для этого применяют закалённое стекло с низким содержанием окислов железа. Это способствует большему проникновению солнечной энергии на пластину.

Плоский солнечный коллектор: принцип действия

Под воздействием солнечного излучения на поверхности абсорбера солнечного коллектора  происходит поглощение солнечной энергии, в результате, поглощающая пластина разогревается, а перекачиваемый через трубки теплоноситель отбирает полученное тепло. Через места соединения пластины абсорбера с трубками.  Селективное покрытие, которое наносится на пластину абсорбера, позволяет поглощать максимально возможное количество тепловой солнечной энергии, при этом обратно эта энергия почти не излучается.  Прозрачная изоляция ( как правило каленое стекло с низким содержанием железа)  и теплоизоляционный слой призваны снизить потери тепловой энергии.

В зависимости от необходимой потребности в горячей воде и отоплении рассчитывается оптимальная площадь гелиосистемы. Плоские солнечные коллекторы объединяются в группы и работают в одной системе. Количество нагретой воды и ее температура за сутки  зависят от различных факторов таких как: высота солнца над горизонтом, ясность дня, температура воздуха, температура холодной воды в подающей магистрали, фактический расход  горячей воды, конфигурация системы и т.д.

Как правильно выбрать солнечный коллектор. Инфографика |

Если вы решились на приобретение и установку у себя гелиосистемы, то перед вами неизбежно встанет дилемма как выбрать солнечный коллектор — самый главный элемент солнечной установки.

На сегодняшний день на рынке представлено огромное количество солнечных коллекторов различные по типу, конструкции, эффективности и стоимости. Выбрать самый оптимальный вариант —  не простая задача. В данной статье мы разберемся в особенностях подбора солнечных коллекторов для гелиосистем, что позволит сделать правильный выбор и ощутить все преимущества использования солнечной энергии.

Солнечный коллектор: сфера применения

Во-первых, следует определиться,  для каких целей вам нужен солнечный коллектор. Обычно, гелиосистема применяется в бытовом секторе для:

Каждый вариант может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом, а так же все вместе. Однако в комбинированных системах, должна быть одна приоритетная цель, на которую и следует ориентироваться выбирая солнечный коллектор.

Основные типы солнечных коллекторов

После того как цели использования определены можно приступать к выбору типа солнечного коллектора. Уверен, что многие из вас слышали об извечном споре – вакуумный или плоский солнечный коллектор. На самом деле явного победителя в этом споре нет. Всё зависит от целей применения солнечной системы, что для каждого конкретного случая. Кроме того, мы пойдем дальше и расширим спектр выбора.

Как известно, существует несколько основных типов вакуумных солнечных коллекторов, которые так же значительно отличаются между собой, поэтому будет более корректно рассматривать каждый тип отдельно.

Для сравнения были выбраны четыре основных типа вакуумных трубчатых коллекторов и один плоский высокоэффективный:

• Вакуумный трубчатый коллектор с перьевым абсорбером и прямоточным тепловым каналом
• Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с перьевым абсорбером с тепловой трубкой “heat pipe”
• U-образный прямоточный вакуумный коллектор с коаксиальной колбой и отражателем
• Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с коаксиальной колбой и тепловой трубкой “heat pipe”
• Плоский высокоэффективный солнечный коллектор

Большинство аргументов за или против того или иного типа коллектора сводятся к весьма абстрактным показателям, таким как: «лучшее восприятия солнечных лучей», «отсутствие теплопотерь», и т.д. Но поскольку у каждого солнечного коллектора есть абсолютно конкретные параметры эффективности, следует доверять именно этим данным для расчета производительности солнечного коллектора в каждом выбранном случае.

Подробнее об этих параметрах и принципе расчета: эффективность солнечного коллектора.

На графике показана зависимость коэффициента полезного действия гелиосистемы от разницы температуры между окружающим воздухом и теплоносителем в солнечном коллекторе при условии солнечного излучения равного 1000 Вт/м². Для анализа воспользуемся средними параметрами для каждого выбранного типа солнечного коллектора указанными на изображении.

Первая зона с минимальной разницей температуры характерна для режима работы солнечного коллектора для нагрева воды в бассейне. Режим работы гелиосистемы во второй зоне является оптимальным для горячего водоснабжения в круглогодичном режиме. Третья зона соответствует режиму работы солнечных коллекторов для нужд отопления, поскольку температура окружающего воздуха в отопительный период самая низкая. Четвертая зона используется для получения высоких температур используемых в технологических нуждах. В бытовом секторе такой температурный режим работы встречается крайне редко.

Из графика видно, что чем меньше ∆t (фактически это означает — чем ниже температура подачи теплоносителя) тем выше КПД солнечного коллектора. Именно поэтому для гелиосистемы оптимальным является применение низкотемпературных систем отопления таких как «теплые полы».

Плоский коллектор и вакуумные трубчатые коллекторы с плоским перьевым абсорбером имеют более высокую производительность при работе на нагрев бассейна и ГВС за счет оптических свойств, способствующих лучшему поглощению солнечного света. В свою очередь вакуумный солнечный коллектор с коаксиальной колбой лучше работает в отопительный период благодаря лучшей теплоизоляции.

 Производительность солнечных коллекторов

Следующая диаграмма позволяет оценить среднюю производительность коллекторов за год и за отопительный период (нижняя часть столбца).

 

Данные о количестве выработанной энергии получены при помощи расчета, в программе позволяющей смоделировать работу солнечной системы за год. В расчетах используются усредненные данные по солнечному излучению и погоде для города Днепра. Расчеты приведены к 1 м² апертурной площади каждого типа коллектора.

Диаграмма позволяет оценить максимальную эффективность при непрерывной работе солнечной системы во время всего года. На практике такие условия практически невозможны и не всегда отображают реальную картину производительности солнечного коллектора.

Для расчета реальной производительности воспользуемся примером. Смоделируем предполагаемый случай применения гелиосистемы для нужд горячего водоснабжения в круглогодичном режиме и поддержки системы отопления теплыми полами со следующими параметрами:

• площадь отопления – 200 м²;
• теплопотери – современная постройка с высоким уровнем теплоизоляции 50 Вт/м² площади;
• место расположения – Киев;
• ГВС – 200 л в сутки;
• апертурная площадь коллекторов – 30 м² ;

На графике видно, что при используя солнечный коллектор для отопления более важным является низкие тепловые потери. При этом хорошие оптические характеристики дают прирост выработки тепла в межсезонье, когда средняя температура воздуха выше, но всё еще необходимо отопление.

В итоге получаем реальную производительность гелиосистемы за год.

Стоимость солнечного коллектора и полученного тепла

Стоимость солнечных коллекторов варьируется и зависит от множества факторов: качество сборки, материал абсорбера и корпуса, толщина и способ укладки изоляции, толщина стекла и т.д. Чтобы оценить стоимость полученной тепловой энергии от солнечных коллекторов зададимся средней стоимостью одного метра квадратного каждого типа солнечного коллектора. Так же взяв за основу срок эксплуатации 25 лет и условия эксплуатации описанные в примере, можем получить значение стоимости полученного 1 кВт*ч энергии.

Как видим из графика, тепло полученное от прямоточного вакуумного коллектора с перьевым абсорбером является наиболее дорогим. А тепло полученное от плоского солнечного коллектора самое дешевое, соответственно плоские коллекторы  имеют минимальный срок окупаемости.

Однако цена солнечного коллектора не всегда является основополагающим фактором. Более дорогие коллекторы могут иметь больший срок службы и низкие эксплуатационные расходы, связанные с возможными поломками. В связи с этим, можно рассматривать установку как дорогой брендовой техники, так и бюджетных вариантов при определенном уровне начальных капиталовложений.

Выбирая солнечный коллектор, обратите внимание на техническую информацию

Важнейшим фактором для выбора солнечного коллектора является наличие полного технического описания. В первую очередь необходимо знать параметры оптического КПД (ŋ₀), коэффициенты тепловых потерь a₁ (k₁) и а₂ (k₂) и площадь солнечного коллектора (апертурная и общая). Именно эти параметры позволяют оценить эффективность и рассчитать прогнозируемую производительность солнечного коллектора.

Если производитель или продавец по каким-то причинам не предоставляет эти данные, то в итоге мы получаем “кота в мешке” и не сможем оценить энергетический вклад гелиосистемы, поэтому лучше воздержатся от покупки такого изделия. Наличие международного сертификата (например, от швейцарской лаборатории SPF или Solar Keymark) приветствуется, однако не всегда нам продают коллектор именно с заданными в данном документе параметрами. Особенно этим грешат азиатские производители, тут уж мы ничего не сможем проверить,  остаётся только надеяться на порядочность компании производителя или поставщика.

В заключении, предлагаем вашему вниманию полную инфографику «как выбрать солнечный коллектор». (Кликните для увеличения изображения).

 

 

Солнечный коллектор – плоский или вакуумный? Плюсы и минусы

При устройстве отопления или снабжения дома горячей водой с помощью солнечной энергии возникает вопрос: какой выбрать солнечный коллектор – плоский или вакуумный?

Коллекторы работают примерно по одному принципу, но имеют ряд отличий в конструкции, эксплуатации, эффективности и т.д. Давайте проведем сравнение плоских и вакуумных коллекторов.

Как работают плоские и вакуумные коллекторы

Оба типа устройств нагревают теплоноситель – пропиленгликоль, этиленгликоль, их растворы или воду. Но принцип нагрева разный. Плоский коллектор поглощает солнечный свет с помощью панелей, в которых медные трубки защищены от потерь тепла изоляцией и покрытием на стекле.

Принцип работы вакуумного коллектора другой – в нем защита от потерь происходит из-за безвоздушной прослойки между двумя слоями стекла вакуумных трубок и напыления на их внутренней стороне.

И в том и в другом случае стоит задача избежать теплопотерь и обеспечить максимальное поглощение тепла для его использования в дальнейшем.

Конструкция коллекторов

Плоский солнечный коллектор это прямоугольная панель, в которой стоит контур из медных трубок. Он утеплен твердой полимерной теплоизоляцией, а сверху накрыт стеклом. На стекле есть одно или несколько защитных покрытий (зависит от модели и производителя), которые не дают теплу покидать его пространство.

Вариант внутреннего устройства плоской панели.

Вакуумный солнечный коллектор состоит из набора вакуумных трубок. В каждой из них либо установлен металлически штырь для отбора тепла, либо теплоноситель (так называемые термосифонные системы). Трубки состоят из двух слоев стекла, между ними откачан воздух.

Один из вариантов устройства вакуумной трубки.

На внутренней стороне трубок есть покрытие, аналогичное тому, что в плоских коллекторах. Иногда внутри трубок для лучшей теплоизоляции установлен металлический рефлектор.

Это общие описания, так как производители и модели коллекторов отличаются конструкцией. Используют разный тип покрытий и их количество, разные варианты отбора тепла – диаметр трубок и штырей или контуров.

С точки зрения конструкции, сказать какой солнечный коллектор – плоский или вакуумный лучше, нельзя.

Эффективность (КПД, COP)

Эффективность солнечных коллекторов зависит от времени года и уровня инсоляции. Но в среднем ее лучше всего опишут эти графики:

Суточная эффективность работы плоского и вакуумного коллектора в январе.Суточная эффективность работы плоского и вакуумного коллектора в апреле.Суточная эффективность работы плоского и вакуумного коллектора в июле.

На графиках показано, сколько тепловой энергии производится за один час. Эти данные могут отличаться в зависимости от угла наклона, ориентации по сторонам света, климатических условий региона. Но общая тенденция сохраняется.

Как видим, в любое время года вакуумные коллекторы лучше поглощают тепло, хоть эта разница не так существенна. Вакуумные коллекторы имеют лучшую теплоизоляцию, чем плоские, у последних какое-то количество тепла уходит в наружную среду.

Прочность и ремонтопригодность

Стекло, которое используют при сборке плоских солнечных панелей, мягче того, которое используется в вакуумных коллекторах. Оно лучше держит удар и нагрузку. Если на нем появится небольшая трещина или скол, их можно отремонтировать. КПД коллектора упадет, но незначительно.

С другой стороны, при больших повреждениях придется менять стекло полностью или даже всю панель. Вакуумные коллекторы не пригодны к ремонту, но обычно выходит из строя одна или несколько трубок, которые стоят относительно дешево.

При появлении трещин и сколов, эффективность работы плоского солнечного коллектора не меняется. Медные трубки, по которым циркулирует теплоноситель, защищены теплоизоляцией. А через трещину защитного стекла не просачивается воздух снаружи. Единственное исключение – когда часть стекла была отколота и отошла вследствие сильного удара.

С точки зрения ремонта и прочности, нельзя сказать какой солнечный коллектор – плоский или вакуумный лучше. У них нет преимуществ, а есть особенности.

Снег и осадки

Зимой на коллекторах скапливается снег, а при больших перепадах температур – намерзает иней или наледь. Это ухудшает их КПД, а при полном покрытии сводит его к нулю.

Плоские солнечные панели чистить гораздо проще, чем вакуумные трубки. Снег на них хуже задерживается, он может сползать или сносится ветром. Некоторые модели плоских коллекторов имеют режим оттаивания, чего невозможно реализовать в вакуумных трубчатых коллекторах.

Стоит помнить, что все зависит от уровня наклона площади солнечного коллектора к вертикали. Чем он меньше, тем хуже на него налипает снег и тем проще его чистить. В любом случае, в отношении осадков плоские коллекторы удобнее и эффективнее, чем вакуумные.

Установка

С точки зрения монтажа и подключения к системе, солнечный коллектор – плоский или вакуумный – не имеют существенных отличий. Основная разница в их весе. При одинаковой производительности, вакуумный коллектор в собранном виде имеет в 2-2,5 большую массу, чем плоская панель. Поэтому не всегда его можно установить на имеющееся покрытие – стену, крышу и т.д.

Установка вакуумных трубок производится во время монтажа.

Если при монтаже плоской панели достаточно ее зафиксировать на поверхности или каркасе, то вакуумные трубки нужно устанавливать по отдельности. Если этим занимается дилетант, то есть риск повредить их, нарушить герметичность и т.д. Но если установкой коллектора занимается специалист, будет лишь небольшая разница во времени.

Цены плоских и вакуумных коллекторов и производители

В среднем плоские панели дешевле вакуумных на 30-70%. Такой разброс зависит от того, что конструкция коллекторов зависит от модели и производителя.

Сейчас 90% коллекторов и 95-98% комплектующих производят в Китае. Стоимость солнечных коллекторов прямо зависит от качества, так как китайские бренды практически не закладывают в цену коллектора стоимость торговой марки. Единственным исключением являются малоизвестные заводы, которые часто предлагают продукцию низкого качества по средней и премиальной цене.

На рынке немало брендовой продукции, которая несколько дороже «ширпотреба». Такая разница в цене вполне оправданна – специалисты осуществляют контроль качества комплектующих и сборки, что немаловажно при больших сроках эксплуатации коллекторов и их окупаемости.

Подведем итоги: какой выбрать солнечный коллектор – плоский или вакуумный

После рассмотрения вопроса можно подвести общие итоги. Это поможет определиться с тем, какой в вашем конкретном случае выбрать солнечный коллектор – плоский или вакуумный.

• Вакуумные коллекторы имеют большую эффективность, в среднем на 10-20%;
• Плоские коллекторы более просты в эксплуатации в холодное время года при осадках;
• При установке вакуумных коллекторов, возможно, придется усиливать несущие конструкции;
• Стоимость плоских коллекторов существенно ниже;
• Окупаемость плоских коллекторов выше при использовании в теплое время года, а вакуумных – в холодное.

Как видим, однозначно ответить на вопрос, какой солнечный коллектор, плоский или вакуумный лучше, нельзя. Но оценив свои потребности можно подобрать оптимальный вариант.

Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

для отопления дома, бассейна, теплицы, душа

Солнечный коллектор – это альтернативный источник получения тепловой энергии за счёт использования солнечной. Сейчас это удобное приспособление уже не новшество, но позволить себе его установку может далеко не каждый. Если подсчитать, покупка и монтаж коллектора, который удовлетворит бытовые нужды среднестатистической семьи, могут обойтись в пять тысяч американских долларов. Само собой, окупаемости такого источника придется ждать довольно долго. Но почему бы не сделать солнечный коллектор своими руками и установить его?

Виды

Стандартное устройство имеет вид металлической пластины, которая помещена в пластмассовый или стеклянный корпус. Поверхность этой пластины аккумулирует солнечную энергию, задерживает тепло и передаёт его для различных бытовых нужд: отопление, подогрев воды и т.д. Интегрированные коллекторы бывают нескольких видов.

Накопительные

Накопительные коллекторы ещё называют термосифонными. Такой солнечный коллектор своими руками без насоса получается наиболее выгодным. Его возможности позволяют не только подогревать воду, но и поддерживать температуру на необходимом уровне некоторое время.

Такой солнечный коллектор для отопления состоит из нескольких баков, наполненных водой, которые находятся в теплоизоляционном ящике. Баки накрыты стеклянной крышкой, через которую пробиваются солнечные лучи и подогревают воду. Этот вариант наиболее экономичен, прост в эксплуатации и в обслуживании, но его эффективность в зимнее время практически равна нулю.

Плоские

Ппредставляет собой большую металлическую пластину – абсорбер, который находится внутри алюминиевого корпуса со стеклянной крышкой. Плоский солнечный коллектор своими руками будет более эффективен при использовании именно крышки из стекла. Поглощает солнечную энергию через градостойкое стекло, которое хорошо пропускает свет и практически его не отражает.

Внутри ящика присутствует термоизоляция, что позволяет значительно снизить теплопотери. Сама пластина имеет низкий КПД, поэтому она покрыта аморфным полупроводником, который значительно увеличивает показатель аккумуляции тепловой энергии.

При изготовлении солнечного коллектора для бассейна своими руками, часто отдают предпочтение именно плоскому интегрированному устройству. Впрочем, он не хуже справляется и с другими задачами, такими как: подогрев воды для домашних нужд и отопление помещения. Плоский – самый широко используемый вариант. Абсорбер для солнечного коллектора своими руками предпочтительно делать из меди.

Жидкостные

Из названия понятно, что главным теплоносителем в них выступает именно жидкость. Водяной солнечный коллектор своими руками делается по следующей схеме. Через поглощающую солнечную энергию металлическую пластину, тепло передаётся по прикрепленным к ней трубам в бак с водой или незамерзающей жидкостью или прямо к потребителю.

К пластине подходят две трубы. Через одну из них подаётся холодная вода из бака, а через вторую в бак поступает уже подогретая жидкость. У труб обязательно должны присутствовать отверстия входа и выхода. Такую схему подогрева называют замкнутой.

Когда же подогретая вода напрямую подаётся для удовлетворения нужд пользователя – такую систему называют разомкнутой.

Неостекленные чаще применяются для нагрева воды в бассейне, поэтому сборка таких тепловых солнечных коллекторов своими руками не требует закупки дорогих материалов – сгодится резина и пластмасса. У остекленных КПД выше, поэтому они способны отапливать дом и обеспечивать потребителя горячей водой.

Воздушные

Воздушные устройства экономичнее вышеперечисленных аналогов, использующих воду в качестве теплоносителя. Воздух не замерзает, не подтекает и не кипит как вода. Если в такой системе происходит утечка, она не приносит столько проблем, однако определить где она произошла довольно сложно.

Самостоятельное изготовление не обходится потребителю дорого. Солнцеприемная панель, которая накрывается стеклом, нагревает воздух, который находится между ней и теплоизоляционной пластиной. Грубо говоря, это плоский коллектор, имеющий внутри пространство для воздуха. Внутрь поступает холодный воздух и под действием солнечной энергии подаётся потребителю тёплый.

Вентилятор, который крепится в воздуховод или непосредственно на пластину, улучшает циркуляцию и улучшает воздухообмен в устройстве. Для работы вентилятора требуется использование электричества, что не очень-то экономно.

Такие варианты долговечны и надёжны и обслуживать их проще, чем устройства, которые используют жидкость в качестве теплоносителя. Для поддержания нужной температуры воздуха в погребе или для отопления теплицы солнечным коллектором подойдёт как раз такой вариант.

Как это работает

Коллектор собирает энергию с помощью светонакопителя или, другим словами, солнцеприемной панели, которая пропускает свет к аккумулирующей металлической пластине, где солнечная энергия преобразуется в тепловую. Пластина передает тепло теплоносителю, которым может быть как жидкость, так и воздух. Вода отправляется по трубам к потребителю. С помощью такого коллектора можно отопить жилище, нагреть воду для различных домашних целей или бассейна.

Воздушные коллекторы используются, в основном для отопления помещения или подогрева воздуха внутри него. Экономия при использовании таких устройств очевидна. Во-первых, не нужно использовать какое-либо топливо, а во-вторых, снижается потребление электроэнергии.

Для того чтобы получить максимальный эффект от использования коллектора и бесплатно подогревать воду на протяжении семи месяцев в году, он должен иметь большую поверхность и дополнительные теплообменные устройства.

Коллектор Станилова

Инженер Станислав Станилов представил миру самую универсальную конструкцию солнечного коллектора. Основной идеей использования разработанного им устройства является получение тепловой энергии за счет создания парникового эффекта внутри коллектора.

Конструкция коллектора

Конструкция этого коллектора очень проста. По сути, это солнечный коллектор из стальных труб, сваренных в радиатор, который помещён в деревянный контейнер, защищённый теплоизоляцией. В качестве теплоизоляционного материала могут выступать минеральная вата, пенопласт, понополистирол.

На дно коробки кладется оцинкованный металлический лист, на который монтируется радиатор. И лист, и радиатор окрашиваются в чёрный, а сама коробка покрывается белой краской. Разумеется, контейнер накрывается стеклянной крышкой, которая хорошо герметизируется.

Материалы и детали для изготовления

Для сооружения такого самодельного солнечного коллектора для отопления дома понадобится:

• стекло, которые будет служить в качестве крышки. Размер его будет зависеть от габаритов короба. Для хорошей эффективности лучше подбирать стекло размером 1700 мм на 700 мм;
• рама под стекло – её можно сварить самостоятельно из уголков или сколотить из деревянных планок;
• доска для короба. Тут можно использовать любые доски, даже с разборки старой мебели или дощатого пола;
• прокатный уголок;
• соединительная муфта;
• трубы для сборки радиатора;
• хомуты для крепления радиатора;
• лист оцинкованного железа;
• приёмная и выпускная труба радиатора;
• бак объемом 200−300 литров;
• аквакамера;
• теплоизоляция (листы пенопласта, пенополистирола, мин. вата, эковата).

Этапы работ

Этапы изготовления коллектора Станилова своими руками:

1. Из досок сколачивается контейнер, дно которого укрепляется брусьями.
2. На дно укладывается теплоизолятор. Основание должно быть особенно тщательно утеплено, чтобы избежать утечки тепла у теплообменника.
3. После на дно короба устраивают оцинкованную пластину и устанавливают радиатор, который сваривается из труб, и закрепляют его стальными хомутами.
4. Радиатор и лист под ним окрашиваются в черный цвет, а короб – в белый или серебристый.
5. Бак с водой должен быть установлен под коллектором в теплом помещении. Между ёмкостью для воды и коллектором нужно устроить теплоизоляцию, чтобы трубы находились в тепле. Бак можно поместить в большую бочку, в которую можно засыпать керамзит, песок, опилки и т.д. и таким образом утеплить.
6. Над баком нужно установить аквакамеру для того чтобы в сети создавалось давление.
7. Монтаж солнечного коллектора своими руками нужно осуществлять на южной стороне кровли.
8. После того как все элементы системы готовы и установлены, нужно соединить их в сеть полудюймовыми трубами, которые должны быть хорошо утеплены, дабы уменьшить теплопотери.
9. Неплохо будет соорудить и контроллер для солнечного коллектора своими руками, так как заводские устройства эксплуатируются недолго.

Расчет размеров

Расчёт размеров для того чтобы изготовить солнечный коллектор для отопления своими руками, прежде всего, направлен на определение нагрузки системы теплоснабжения, покрытие которой берет на себя это устройство. Само собой, что подразумевается использование нескольких источников энергии в комплексе, а не только энергии солнца. В этом деле важно расположить систему таким образом, чтобы она взаимодействовала с другими – тогда это даст максимальный эффект.

Для определения площади коллектора нужно знать, для каких целей он будет использоваться: отопление, подогрев воды или и того, и другого. Проанализировав данные водомера, потребностей в обогреве и данные инсоляции местности, в которой планируется установка, можно высчитать площадь коллектора. К тому же, надо учесть потребности в горячей воде всех потребителей, которые планируется подключить к сети: стиральной машины, посудомоечной машины и т.д.

  

Селективное покрытие

Селективное покрытие выполняет едва ли не самую основную функцию в работе коллектора. Пластина или радиатор с нанесённым покрытием притягивают в разы больше солнечной энергии, превращая её в тепло. Можно приобрести специальный химикат в качестве селективного покрытия, а можно просто окрасить теплонакопитель в чёрный цвет.

Чтобы сделать селективное покрытие для солнечных коллекторов своими руками, можно применить:

• специальный готовый химикат;
• оксиды разных металлов;
• тонкий теплоизоляционный материал;
• чёрный хром;
• селективную краску для коллектора;
• чёрную краску или пленку.

Коллекторы из подручных материалов

Собрать солнечный коллектор для отопления дома своими руками и дешевле и интереснее, ведь изготовить его можно из различных подручных материалов.

Из металлических труб

Этот вариант сборки походит на коллектор Станилова. При сборке солнечного коллектора из медных труб своими руками, из труб варится радиатор и помешается в деревянный короб, проложенный изнутри теплоизоляцией.

Наиболее эффективными будут медные трубы, алюминиевые тоже можно использовать, но их тяжело варить, а вот стальные – наиболее удачный вариант.

Такой самодельный коллектор не должен быть чересчур большим, чтобы его было легко собрать и монтировать. Диаметр труб на солнечные коллектора для сварки радиатора должен быть меньше, чем у труб для ввода и вывода теплоносителя.

Из пластиковых и металлопластиковых труб

Как сделать солнечный коллектор своими руками, имея в домашнем арсенале пластиковые трубы? Они менее эффективны в качестве теплонакопителя, однако в разы дешевле меди и не коррозируют как сталь.

Трубы выкладываются в короб по спирали и закрепляются хомутами. Их можно покрыть черной или селективной краской для большей эффективности.

С укладкой труб можно экспериментировать. Так как трубы плохо гнутся, их можно укладывать не только по спирали, а и зигзагом. Среди преимуществ, пластиковые трубы легко и быстро поддаются пайке.

Из шланга

Чтобы сделать солнечный коллектор для душа своими руками понадобится резиновый шланг. Вода в нем нагревается очень быстро, поэтому его тоже можно использовать в качестве теплообменника. Это самый экономичный вариант при изготовлении коллектора своими руками. Шланг или полиэтиленовая труба укладывается в короб и прикрепляется хомутами.

Так как шланг скручен по спирали, в нем не будет происходить естественная циркуляция воды. Чтобы использовать в данной системе ёмкость для накопления воды, необходимо оснастить её циркуляционным насосом. Если это дачный участок и горячей воды уходит немного, то того её количества, которое буде поступать в трубу, может оказаться достаточно.

Из банок

Теплоносителем солнечного коллектора из алюминиевых банок выступает воздух. Банки соединяются между собой, образуя трубу. Чтобы сделать солнечный коллектор из пивных банок нужно обрезать днище и верх каждой банки, состыковать их между собой и склеить герметиком. Готовые трубы помещаются в деревянный короб и накрываются стеклом.

В основном, воздушный солнечный коллектор из пивных банок используют для устранения сырости в подвале или для обогрева теплицы. В качестве теплонакопителя можно использовать не только пивные банки, а и пластиковые бутылки.

Из холодильника

Солнечные водогрейные панели своими руками можно соорудить из непригодного холодильника или радиатора старого авто. Конденсатор, извлеченный из холодильника, надо хорошо промыть. Горячую воду, полученную таким способом, лучше использовать только для технических целей.

На дно короба расстилается фольга и резиновый коврик, потом на них укладывается конденсатор и закрепляется. Для этого можно применить ремни, хомуты, либо то крепление, которым он был прикреплен в холодильнике. Для создания давления в системе не помешает установить над баком насос или аквакамеру.

Видео                                                                                         

Вы узнаете, как сделать солнечный коллектор своими руками, из следующего видео.

Солнечный коллектор — Википедия. Что такое Солнечный коллектор

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.^[1]

Типы солнечных коллекторов

Плоские

Плоский солнечный коллектор

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Абсорбер связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрной краской либо специальным селективным покрытием (обычно чёрный никель или напыление оксида титана) для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурат). Трубки, по которым распространяется теплоноситель, изготавливаются из сшитого полиэтилена либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком.

При отсутствии забора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—210 °C^{[источник не указан 513 дней]}.

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.

Вакуумные

Вакуумный солнечный коллектор

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство, схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95 % улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Устройство бытового коллектора

Теплоноситель (вода, воздух, масло или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.

В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.

Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.^[1]

Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов

Вакуумные трубчатые	Плоские высокоселективные
Преимущества	Преимущества
Низкие теплопотери	Способность очищаться от снега и инея
Работоспособность в холодное время года до −30С	Высокая производительность летом
Способность генерировать высокие температуры	Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата
Длительный период работы в течение суток	Возможность установки под любым углом
Удобство монтажа	Меньшая начальная стоимость
Низкая парусность
Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата
Недостатки	Недостатки
Неспособность к самоочистке от снега	Высокие теплопотери
Относительно высокая начальная стоимость проекта	Низкая работоспособность в холодное время года
Рабочий угол наклона не менее 20°	Сложность монтажа, связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора
	Высокая парусность

Солнечные коллекторы-концентраторы

Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Солнечные воздушные коллекторы

Солнечные воздушные коллекторы — это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы чаще всего используются для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора.

В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.

Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Применение

Солнечный водонагреватель на жилом доме. Мальта.

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.

Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды^[2]

В России

По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии — до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80 %, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.

Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел.. В Германии эксплуатируется 140 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., на Кипре около 800 м²/1000 чел..

В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в разы.

Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы или плоские коллекторы с высокоселективным покрытием, поскольку больше разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. Однако такая конструкция выше по стоимости.^[1]

Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.^[3]

Солнечные башни

Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Параболоцилиндрические концентраторы

Параболоцилиндрические концентраторы.

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

В 1913 году Франк Шуман построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состоял

солнечных коллекторов | GreenMatch

Что такое солнечные коллекторы?

Хотя солнечные панели являются наиболее известным устройством, когда дело касается солнечной энергии, солнечные тепловые коллекторы также очень эффективны и используются для сбора тепла путем поглощения солнечного света. Солнечная тепловая энергия также используется для улавливания солнечного излучения, которое представляет собой энергию в форме электромагнитного излучения, состоящего из инфракрасных и ультрафиолетовых волн. Это может происходить из-за огромного количества солнечного света, который ежедневно попадает на поверхность Земли.

Солнечные коллекторы могут быть неконцентрирующими или концентрирующими . Разница между ними состоит в том, что собирающие коллекторы имеют больший перехватчик, чем поглотитель, тогда как неконцентрирующие коллекторы имеют оба одинаковых размера. Плоские и вакуумные солнечные коллекторы используются в бытовых целях, например, для обогрева помещений, горячего водоснабжения или охлаждения.

Плоские коллекторы

Плоские солнечные коллекторы являются наиболее распространенными.Они состоят из поглотителя, прозрачной крышки и изоляции. В основном эта технология используется в жилых домах, где потребность в горячей воде высока и влияет на счета. Коммерческое применение плоских коллекторов обычно наблюдается в автомойках, прачечных, военных прачечных или ресторанах.

Ожидается, что солнечные водонагревательные системы будут намного эффективнее , особенно для объектов с большим спросом на горячую воду (кухни, прачечные и т. Д.) Плоские солнечные коллекторы имеют хорошее соотношение цены и качества, а также предоставляют множество вариантов монтажа (на крыше, внутри самой крыши или отдельно).

Коллектор вакуумный

Это разновидность вакуумного коллектора, абсорбирующая полоса которого помещена в вакуумированную и прочную стеклянную трубку. Жидкий теплоноситель протекает непосредственно через абсорбер в U-образную трубу или в систему труба в трубе. Коллектор с тепловой трубкой содержит специальную жидкость, которая испаряется даже при низких температурах, поэтому пар поднимается в отдельных тепловых трубках и нагревает жидкость в основной трубе, выделяя тепло.Термодинамические панели также основаны на таком хладагенте, но используют тепло окружающего воздуха и поэтому подходят только для горячей воды.

Технология очень надежная , так как ее расчетный срок службы составляет 25 лет. Вакуум, окружающий трубы снаружи, значительно снижает риск потери тепла, поэтому эффективность выше, чем у плоских коллекторов.

Есть также солнечные коллекторы, которые можно использовать для выработки электроэнергии.Параболические желоба, солнечные параболические тарелки и силовые башни используются на солнечных электростанциях или в исследовательских целях.

Параболический желоб

Этот особый тип солнечных коллекторов в основном используется на солнечных электростанциях. В технологии используется параболический отражатель в форме желоба для концентрации солнечного света на изолированной трубке или тепловой трубе, помещенной в фокус. Таким образом, произведенное тепло передается котлам электростанции.

Параболическая тарелка

Эта технология отличает то, что с этим солнечным коллектором можно использовать несколько тарелок, и они могут концентрировать солнечную энергию в одной и той же точке фокусировки.Как и другие коллекторы, он в основном используется на солнечных электростанциях, а также для исследователей. Блюдо выровнено таким образом, что позволяет собирать почти всю солнечную радиацию, попадающую на поверхность Земли. Большинство потерь эффективности происходит из-за небольших дефектов формы тарелки. Потери из-за погодных условий обычно минимальны, однако в дождливый туманный день солнечные лучи обычно распространяются во все стороны.

Power Tower

Башня питания — это большая башня, огороженная зеркалами слежения, называемыми гелиостатами.Они выравниваются, чтобы отслеживать солнечный свет, собирать его и передавать его на вершину башни, где находится приемник, полученное тепло передается на электростанцию ​​ниже. Башня питания позволяет удешевить покрытие гораздо большей площади относительно недорогими зеркалами, в отличие от традиционных солнечных батарей.

Однако эффективность может быть проблемой, поскольку силовой вышке почти всегда требуются идеальные погодные условия, в то время как солнечные элементы по-прежнему производят очень хорошее количество энергии, даже когда небо полностью облачно.

Солнечные коллекторы или солнечные элементы

Солнечные коллекторы — отличное изобретение, однако они не совсем идеальны для постоянного клиента, который просто хочет вырабатывать собственное электричество. Коллекционерам нужны идеальные погодные условия, которые трудно получить во многих частях света. С другой стороны, солнечные элементы и панели — идеальное решение для людей, которые хотят производить собственную экологически чистую энергию. Несмотря на то, что с точки зрения цены они могут в конечном итоге обойтись вам дороже, правительство запустило схемы, которые приносят пользу людям, которые хотят использовать солнечную энергию.

Итак, если вы собираетесь самостоятельно заняться солнечной энергетикой, вы можете получить расценки по , заполнив форму справа. Вы получите лучшие предложения от ближайших к вам поставщиков и сможете свободно выбирать! Эта услуга бесплатна и необязательна .

Технический справочник — EnergyPlus 8.0

Солнечные коллекторы — это устройства, преобразующие солнечную энергию в тепловую за счет повышения температуры циркулирующего теплоносителя.Затем жидкость можно использовать для нагрева воды для бытового горячего водоснабжения или отопления помещений. Плоские солнечные коллекторы, использующие воду в качестве теплоносителя, солнечные коллекторы Integral-Collector Storage, использующие воду, и неглазурованные солнечные коллекторы, использующие воздух, в настоящее время являются единственными типами коллекторов, доступных в EnergyPlus.

Плоские солнечные коллекторы

[ССЫЛКА]

Входной объект SolarCollector: FlatPlate: Water предоставляет модель плоских солнечных коллекторов, которые являются наиболее распространенным типом коллекторов.Стандарты были установлены ASHRAE для тестирования производительности этих коллекторов (ASHRAE 1989; 1991), а Solar Rating and Certification Corporation (SRCC) публикует каталог коммерчески доступных коллекторов в Северной Америке (SRCC 2003).

Модель EnergyPlus основана на уравнениях, содержащихся в стандартах ASHRAE и Duffie and Beckman (1991). Данная модель применяется к остекленным и неглазурованным плоским коллекторам, а также к рядам трубчатых, т.е. вакуумных трубчатых, коллекторов.

Расчеты солнечного света и затенения [LINK]

В объекте солнечного коллектора используется стандартная поверхность EnergyPlus, чтобы воспользоваться преимуществами подробных расчетов солнечного излучения и затенения. Солнечное излучение, падающее на поверхность, включает пучковое и диффузное излучение, а также излучение, отраженное от земли и прилегающих поверхностей. Также учитывается затенение коллектора другими поверхностями, такими как близлежащие здания или деревья. Точно так же поверхность коллектора может затенять другие поверхности, например, уменьшая падающее излучение на крышу под ней.

Thermal Performance [ССЫЛКА]

Тепловой КПД коллектора определяется как отношение полезного притока тепла жидкостью коллектора к общему солнечному излучению, падающему на общую площадь поверхности коллектора.

где

q = полезный приток тепла

A = общая площадь коллектора

I _{солнечная} = общая падающая солнечная радиация

Обратите внимание, что КПД определен только для I _solar > 0.

Энергетический баланс солнечного коллектора с двойным остеклением показывает взаимосвязь между свойствами остекления, свойствами поглощающей пластины и условиями окружающей среды.

где

_g1 = коэффициент пропускания первого слоя остекления

_g2 = коэффициент пропускания второго слоя остекления

_абс = абсорбционная способность пластины абсорбера

R _рад = сопротивление излучению от поглотителя до внутреннего остекления

R _conv = конвективное сопротивление от абсорбера до внутреннего остекления

R _cond = сопротивление проводимости от абсорбера к наружному воздуху через изоляцию

T _абс = температура пластины абсорбера

T _g2 = температура внутреннего остекления

T _воздух = температура наружного воздуха

Уравнение, приведенное выше, можно аппроксимировать более простой формулировкой как:

где

F _R = поправочный коэффициент, определенный опытным путем

() = произведение всех коэффициентов пропускания и поглощения

U _L = общий коэффициент тепловых потерь, объединяющий термины излучения, конвекции и теплопроводности

T _дюйм = температура рабочей жидкости на входе

Подставляя это в уравнение,

Можно построить линейную корреляцию, рассматривая F _R () и -F _R U _L как характеристические константы солнечного коллектора:

Аналогичным образом можно построить квадратичную корреляцию, используя форму:

Коэффициенты уравнения эффективности первого и второго порядка перечислены в справочнике Сертифицированных SRCC рейтингов солнечных коллекторов .

Модификаторы угла падения

[LINK]

Как и в случае с обычными окнами, коэффициент пропускания остекления коллектора зависит от угла падения излучения. Обычно коэффициент пропускания максимален, когда падающее излучение перпендикулярно поверхности остекления. Условия испытаний определяют коэффициенты эффективности для нормального падения. Для углов, отклоняющихся от нормы, коэффициент пропускания остекления изменяется на коэффициент модификатора угла падения .

Дополнительное тестирование определяет модификатор угла падения как функцию угла падения.Это соотношение может соответствовать линейной корреляции первого порядка:

или квадратичная корреляция второго порядка:

Коэффициенты модификатора угла падения b ₀ и b ₁ обычно отрицательны, хотя некоторые коллекторы имеют положительное значение для b ₀ . Коэффициенты уравнения модификатора угла падения как первого, так и второго порядка перечислены в Справочнике сертификатов SRCC для солнечных коллекторов .

Коэффициенты уравнения модификатора угла падения SRCC действительны только для углов падения 60 градусов или меньше. Поскольку эти кривые могут быть действительными, но плохо вести себя для углов более 60 градусов, модель EnergyPlus отсекает усиление коллектора для углов падения более 60 градусов.

Для плоских коллекторов модификатор угла падения обычно симметричен. Однако для трубчатых коллекторов модификатор угла падения различается в зависимости от того, параллелен ли угол падения трубкам или перпендикулярен им.Они называются биаксиальными модификаторами. Некоторые специальные коллекторы с плоскими пластинами также могут демонстрировать эту асимметрию. Текущая модель еще не может обрабатывать два набора модификаторов угла падения. В то же время рекомендуется осторожно аппроксимировать трубчатые коллекторы, используя параллельную или перпендикулярную корреляцию.

Модификаторы угла падения рассчитываются отдельно для излучения солнца, неба и земли. Модификатор чистого угла падения для всего падающего излучения рассчитывается путем взвешивания каждого компонента с помощью соответствующего модификатора.

Для излучения неба и земли угол падения аппроксимируется с использованием уравнений Брандемюля и Бекмана:

где — наклон поверхности в градусах.

Модификатор чистого угла падения затем вставляется в уравнение полезного тепловыделения:

Уравнение также изменяется соответствующим образом.

Температура на выходе [ССЫЛКА]

Температура на выходе рассчитывается с использованием полезного притока тепла q, определенного уравнением, температуры жидкости на входе T _в и массового расхода, доступного при моделировании установки:

где

= массовый расход жидкости через коллектор

c _p = удельная теплоемкость рабочего тела

Решение для T _из ,

Если нет потока через коллектор, T _out — это температура застоя жидкости.Это вычисляется установкой левой части уравнения на ноль и решением для T _в (что также равно T _из для случая отсутствия потока).

Источники [ССЫЛКА]

ASHRAE. 1989. Стандарт ASHRAE 96-1980 (RA 89): Методы испытаний для определения тепловых характеристик неглазурованных плоских солнечных коллекторов жидкостного типа. Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.

ASHRAE.1991. Стандарт ASHRAE 93-1986 (RA 91): Методы испытаний для определения тепловых характеристик солнечных коллекторов. Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.

Даффи, Дж. А. и Бекман, В. А. 1991. Солнечная инженерия тепловых процессов, второе издание. Нью-Йорк: Wiley-Interscience.

Solar Rating and Certification Corporation. 2004. Справочник сертифицированных SRCC рейтингов солнечных коллекторов, OG 100. Какао, Флорида: Корпорация по оценке и сертификации солнечной энергии.

Интегральный коллектор-накопитель (ICS) Солнечный коллектор [ССЫЛКА]

Солнечные коллекторы со встроенными моделями накопителей используют объект SolarCollector: IntegralCollectorStorage, а входные параметры характеристик этого коллектора предоставляются объектом SolarCollectorPerformance: IntegralCollectorStorage. Эта модель основана на подробных уравнениях энергетического баланса солнечных коллекторов, которые объединяют в себе накопитель. В этой модели есть два варианта представления нижней части коллектора за пределами граничных условий: AmbientAir и OtherSideConditionsModel.AmbientAir просто применяет температуру наружного воздуха, используя комбинированную конвекцию и радиационную проводимость, а OtherSideConditionsModel применяет комбинированные модели излучения и конвекции, которые возникают в естественно вентилируемой полости, чтобы представить нижнюю часть коллектора за пределами граничных условий. Более позднее граничное условие учитывает затенение коллектора на подстилающей поверхности, поэтому коллектор ICS можно считать неотъемлемой частью ограждающей конструкции здания. Принципиальная схема прямоугольного солнечного коллектора ICS показана на Рисунке 273 ниже:

Принципиальная схема прямоугольного интегрированного коллекторного накопителя

Расчеты солнечного света и затенения [LINK]

В объекте солнечного коллектора используется стандартная поверхность EnergyPlus, чтобы воспользоваться преимуществами подробных расчетов солнечного излучения и затенения.Солнечное излучение, падающее на поверхность, включает пучковое и диффузное излучение, а также излучение, отраженное от земли и прилегающих поверхностей. Также учитывается затенение коллектора другими поверхностями, такими как близлежащие здания или деревья. Точно так же поверхность коллектора затемняет поверхность крыши под ней, поэтому прямая солнечная радиация не падает на поверхность крыши. Коллектор и крыша за пределами граничных условий должны быть указаны как OtherSideConditionModel, чтобы учесть влияние затенения солнечного коллектора на поверхность крыши.

Математическая модель

[ССЫЛКА]

Солнечный коллектор со встроенным коллектором-накопителем (ICS) представлен с использованием двух уравнений баланса энергии переходных процессов, показанных ниже. Эти уравнения представляют собой уравнение баланса энергии для пластины поглотителя и воды в коллекторе.

Где,

м _p C _p = теплоемкость поверхности поглотителя, Дж / ° C

A = общая площадь коллектора, м ²

() _e = произведение коэффициента пропускания-поглощения абсорбционной пластины и системы покрытия

I _t = общее солнечное излучение, (Вт / м ² )

h _pw = коэффициент конвективной теплопередачи от пластины абсорбера к воде, (Вт / м2 ° K)

U _t = общий коэффициент теплопотери от поглотителя в окружающий воздух, (Вт / м2 ° K)

T _p = средняя температура пластины абсорбера, (° C)

T _w = средняя температура воды в коллекторе, (° C)

T _a = температура окружающего воздуха, (° C)

м _w C _pw = теплоемкость водной массы в коллекторе, (Дж / ° C)

U _с = удельная проводимость изоляции со стороны коллектора, (Вт / м ² ° K)

U _b = проводимость изоляции дна коллектора, (Вт / м ² ° K)

T _osc = наружная температура нижней изоляции, определенная на основе модели условий другой стороны, (° C)

T _wi = Температура подпиточной или водопроводной воды, (° C)

= расход воды через коллектор, (Вт / ° C)

Граничное условие модели с другой стороны, представленное T _osc , позволяет нам применить реалистичное внешнее граничное условие для коллектора, установленного на крыше здания.Этим также учитывается затеняющее воздействие коллектора на подстилочную поверхность (крышу). С другой стороны, если заданы граничные условия для окружающего воздуха, то коллектор не затеняет нижнюю поверхность, на которой он установлен.

Два уравнения баланса энергии можно записать как неоднородную ДУ первого порядка с постоянными коэффициентами. Начальными условиями для этих уравнений являются средняя температура пластины поглотителя и средняя температура воды в коллекторе на предыдущих временных шагах.

Два связанных дифференциальных уравнения первого порядка решаются аналитически. Вспомогательное уравнение связанного однородного дифференциального уравнения имеет вид:

Это вспомогательное квадратное уравнение всегда имеет два различных действительных корня ( ₁ и ₂ ), следовательно, решение однородного уравнения является экспоненциальным, а общие решения дифференциальных уравнений даются как:

Постоянные члены A и B являются частным решением неоднородных дифференциальных уравнений, коэффициентами экспоненциальных членов ( c ₁ , c ₂ , r ₁ , и r ₂ ) определяются из начальных условий температуры воды в поглотителе и коллекторе ( T _p0 , T _w0 ) и равны:

Модель тепловой сети

: [ССЫЛКА]

Модель тепловой сети требует также энергетического баланса для каждой крышки коллектора.Предполагается, что уравнение теплового баланса крышек коллектора подчиняется установившейся формулировке за счет игнорирования их тепловой массы. Представление коллектора ICS в тепловой сети показано на рисунке 274. Кроме того, тепловой баланс на каждой поверхности покрытия требует знания количества поглощенной солнечной фракции, которое определяется на основе анализа трассировки лучей. Для модели тепловой сети, показанной выше, общий верхний коэффициент теплопотерь определяется комбинацией последовательно включенных сопротивлений следующим образом:

или

Коэффициенты конвективной и радиационной теплопередачи в уравнении выше вычисляются на основе температур на предыдущем временном шаге и определяются, как описано в разделе Коэффициенты теплопередачи .

Схема тепловой сети солнечного коллектора ICS

Тепловой баланс крышки коллектора

Игнорируя тепловую массу крышки коллектора, для каждой крышки формулируются уравнения стационарного теплового баланса, которые позволяют нам определять температуру крышки. Представление теплового баланса поверхности крышки показано на Рисунке 275 ниже.

Тепловой баланс поверхности крышки коллектора

Уравнение устойчивого теплового баланса покровного слоя:

Линеаризуя обмен длинноволновым излучением и представляя условия конвекции с использованием классического уравнения для закона охлаждения Ньютона, уравнения для температур крышек 1 и 2 имеют следующий вид:

Где,

_c = средневзвешенное значение поглощения солнечной энергии покрытий 1 и 2 , (-)

h _{r, c1-a} = скорректированный коэффициент радиационной теплопередачи между крышкой 1 и окружающим воздухом, (Вт / м ² K)

ч _{c, c1-a} = коэффициент конвективной теплопередачи между крышкой 1 и окружающей средой, (Вт / м ² K)

ч _{r, c2-c1} = коэффициент теплопередачи излучения между крышками 1 и 2 , (Вт / м ² K)

ч _{c, c2-c1} = коэффициент конвективной теплопередачи между крышками 1 и 2 , (Вт / м ² K)

ч _{r, p-c2} = коэффициент теплопередачи излучения между крышками 2 и пластиной поглотителя, (Вт / м ² K)

ч _{c, p-c2} = коэффициент конвективной теплопередачи между крышками 2 и пластиной абсорбера, (Вт / м ² K)

q _{LWR, 1} = поток длинноволнового радиационного обмена на стороне 1 крышки коллектора, (Вт / м ² )

q _{CONV, 1} = конвекционный тепловой поток на стороне 1 крышки коллектора, (Вт / м ² )

q _{LWR, 2} = поток длинноволнового радиационного обмена на стороне 2 крышки коллектора, (Вт / м ² )

q _{CONV, 2} = конвекционный тепловой поток на стороне 2 крышки коллектора, (Вт / м ² )

q _{солнечная энергия, абс.} = чистое солнечное излучение, поглощаемое крышкой коллектора, (Вт / м ² )

R = тепловое сопротивление для каждой секции вдоль пути теплового потока, (м ² K / Вт)

Модель с другой стороны

[ССЫЛКА]

Солнечные коллекторы

ICS обычно устанавливаются на поверхностях теплопередачи зданий, поэтому коллекторы затеняют нижележащую поверхность теплопередачи и требуют уникального граничного условия, которое отражает среду воздушной полости, создаваемой между нижней частью поверхности коллектора и подстилающей поверхностью.Модель условий другой стороны, которая позволяет нам оценить температуру другой стороны, T _osc , может быть определена на основе установившегося теплового баланса с использованием известной температуры воды коллектора на предыдущем временном шаге.

Иллюстрация для модели

в состоянии другой стороны

Игнорируя тепловую массу нижней изоляции коллектора, установившийся поверхностный тепловой баланс может быть сформулирован на внешней плоскости нижней поверхности коллектора, обращенной к полости, как показано на рисунке 4.Уравнение теплового баланса на внешней плоскости нижней поверхности коллектора имеет вид:

****

Подставляя уравнения для каждого члена в уравнение выше, получаем:

****

Упрощение дает нижнюю изоляцию, температура на другой стороне:

Температура воздуха в полости определяется из теплового баланса воздуха в полости следующим образом:

Где

h ~ r, cav ~ = линеаризованный коэффициент излучения для подстилающей поверхности в полости, (Вт / м ² K)

h ~ c, cav ~ = коэффициент конвекции для подстилающей поверхности в полости, (Вт / м ² K)

T _{, так что} = температура наружной поверхности лежащей под ним теплопередающей поверхности, (ºC)

= массовый расход воздуха за счет естественной вентиляции, (кг / с)

q _cond = теплопроводность теплового потока через дно изоляции и, (Вт / м ² )

q _{conv, cav} = конвекционный тепловой поток между нижней внешней поверхностью коллектора и воздухом полости, (Вт / м ² )

q _{рад, cav} = обменный поток длинноволнового излучения между нижней внешней поверхностью коллектора и внешней поверхностью подстилающей поверхности, (Вт / м ² )

Температура воздуха в полости определяется из баланса энергии воздуха в полости.Баланс тепла воздуха требует норм естественной вентиляции воздуха в вентилируемой полости. Расчет скорости вентиляции описан в другом месте этого документа. Объект SurfaceProperty: ExteriorNaturalVentedCavity необходим для описания свойств поверхности, характеристик полости и отверстия для естественной вентиляции.

Коэффициенты теплопередачи [ССЫЛКА]

Уравнения, используемые для определения различных коэффициентов теплопередачи в уравнениях абсорбера и теплового баланса воды, приведены ниже.Поглощенная солнечная энергия передается воде путем конвекции. Предполагая, что естественная конвекция преобладает над теплопередачей для горячей поверхности, обращенной вниз, и поверхности комка, обращенной вниз, следующая корреляция для числа Нуссельта, проведенная Фуджи и Имура (1972). Число Нуссельта для горячей поверхности, обращенной вниз, дается по формуле:

Число Нуссельта для горячей поверхности вверх и холодной поверхности вниз определяется по формуле:

****

****

****

Где,

= угол наклона коллектора к вертикали, радиан

г = постоянная силы гравитации, 9.806 (м / с ² )

T _r = эталонные свойства, в которых рассчитаны теплофизические свойства, (° C)

L _c = характерная длина пластины абсорбера, (м)

k = теплопроводность воды при нормальной температуре, (Вт / мК)

= кинематическая вязкость воды при нормальной температуре, (м ² / с)

= коэффициент температуропроводности воды при нормальной температуре, (м ² / с)

β _v = коэффициент объемного расширения, рассчитанный при Tv, Tv = Tw + 0.25 (Тп-Тв), (К-1)

Nu = число Нуссельта, рассчитанное для свойств воды при эталонной температуре, (-)

Gr = число Грасгофа, рассчитанное для свойств воды при эталонной температуре, (-)

Pr = число Прандтля, рассчитанное для свойств воды при эталонной температуре, (-)

Различные коэффициенты радиационной и конвективной теплопередачи задаются следующими уравнениями.Коэффициенты конвективной теплопередачи между крышками и пластиной поглотителя оцениваются на основе эмпирической корреляции для числа Нуссельта для воздушного зазора между двумя параллельными пластинами, разработанной Hollands et al. (1976) это:

Для математического упрощения приведены коэффициенты обмена длинноволновым излучением между внешней крышкой коллектора и небом и землей с привязкой к температуре окружающего воздуха.

Коэффициент конвективной теплопередачи от внешней крышки к окружающему воздуху определяется по формуле:

Когда граничным условием нижней поверхности является AmbientAir, комбинированная проводимость от внешнего покрытия к окружающей среде рассчитывается по приведенному ниже уравнению (Duffie and Beckman, 1991).

Общий коэффициент потерь через дно и боковые стороны коллектора-накопителя оценивается следующим образом:

Где,

_c1 = коэффициент теплового излучения крышки коллектора 1 , (-)

_c2 = коэффициент теплового излучения крышки коллектора 2 , (-)

F _с = коэффициент обзора от коллектора до неба, (-)

F _г = коэффициент обзора от коллектора до земли, (-)

T _c1 = температура крышки коллектора 1 , (K)

T _c2 = температура крышки коллектора 2 , (K)

T _с = температура неба, (К)

T _г = температура земли, (К)

k = теплопроводность воздуха, (Вт / м · K)

L = воздушный зазор между крышками, (м)

β = наклон пластин или крышек к горизонтали, (радиан)

V _w = скорость ветра, (м / с)

U _Lb = определяемая пользователем теплопроводность снизу, Вт / м ² K

U _Ls = боковая теплопроводность, определяемая пользователем, Вт / м ² K

A _b = площадь теплообмена нижней части коллектора, м ²

A _с = площадь со стороны коллектора, м ²

ч _{гребенка} = комбинированная проводимость от внешней оболочки к окружающему воздуху, Вт / м ² K

Продукт коэффициента пропускания-поглощения

Произведение коэффициента пропускания-поглощения солнечного коллектора определяется методом трассировки лучей для любого угла падения (Даффи и Бекман, 1991).Для этого требуются оптические свойства материалов покрытия и поглотителя, и произведение коэффициента пропускания-поглощения для любого угла падения определяется как:

Коэффициент пропускания системы крышек для одинарных и двух крышек:

Эффективные коэффициент пропускания, отражения и поглощения одиночного покрытия определяются по формуле:

Коэффициент пропускания системы покрытия с учетом только поглощения _a , определяется как:

Коэффициент отражения неполяризованного излучения при переходе от среды 1 с показателем отражения n ₁ к среде 2 с показателем отражения n ₂ определяется по формуле:

Средние эквивалентные углы падения рассеянного излучения, отраженного от неба и земли, аппроксимируются корреляцией Брандемюля и Бекмана (Duffie and Beckman, 1991) следующим образом:

где,

** = коэффициент пропускания системы покрытия, (-)

₁ = коэффициент пропускания крышки 1, (-)

₂ = коэффициент пропускания крышки 2, (-)

** = абсорбционная способность пластины абсорбера, (-)

_d = коэффициент диффузного отражения внутренней крышки, (-)

L = толщина материала покрытия, (м)

K = коэффициент ослабления материала покрытия, (м ^-1 )

₁ = угол падения, градус

₂ = угол преломления, градус

= параллельная составляющая отраженного неполяризованного излучения, (-)

= перпендикулярная составляющая отраженного неполяризованного излучения, (-)

** = уклон коллектора, градус

_sd = эквивалентный угол падения рассеянного солнечного излучения неба, градусы

_gd = эквивалентный угол падения рассеянного солнечного излучения на землю, градус

Тепловые параметры интегрального коллектора-накопителя рассчитываются следующим образом:

Даффи, Дж.А. и В.А.Бекман. 1991. Солнечная инженерия тепловых процессов, 2-е изд. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья.

Кумар Р. и М.А. Розен. Тепловые характеристики встроенного коллектора накопительного солнечного водонагревателя с гофрированной абсорбирующей поверхностью. Прикладная теплотехника: 30 (2010) 1764–1768.

Fujii, T. и H. Imura. Естественная конвекция теплопередачи от пластины произвольного наклона. Международный журнал тепломассообмена: 15 (4), (1972), 755-764.

Фотоэлектрические тепловые плоские солнечные коллекторы [ССЫЛКА]

Фотоэлектрические-тепловые солнечные коллекторы (PVT) объединяют солнечные электрические элементы и тепловую рабочую жидкость для сбора как электричества, так и тепла. Хотя в настоящее время существует сравнительно немного коммерческих продуктов, PVT-исследования проводились в течение последних 30 лет, и было изучено множество различных типов коллекторов. Zondag (2008) и Charalambous et. al (2007) предоставляют обзоры литературы по PVT.Поскольку PVT является гораздо менее зрелым с коммерческой точки зрения, не существует стандартов или рейтинговых систем, например, для тепловых коллекторов горячей воды. В настоящее время EnergyPlus имеет одну простую модель, основанную на эффективности, определяемой пользователем, но более подробная модель, основанная на первых принципах, и подробное поэтапное описание находятся в стадии разработки.

Модели PVT повторно используют модели PV для производства электроэнергии. Они описаны в другом месте этого документа в разделе «Фотоэлектрические массивы — простая модель

».

Простая тепловая модель PVT [ССЫЛКА]

Входной объект SolarCollector: FlatPlate: PhotovoltaicThermal предоставляет простую модель PVT, которая предоставляется для быстрого использования во время разработки или изучения политики.Пользователь просто задает значения теплового КПД, и падающая солнечная энергия нагревает рабочее топливо. Модель также включает в себя режим охлаждения для воздушных систем, где указанная пользователем поверхностная излучательная способность используется для моделирования охлаждения рабочей жидкости в ночное небо (охлаждение на водной основе будет доступно, как только станет доступен резервуар для хранения охлажденной воды) . Никаких других деталей конструкции PVT коллектора в качестве исходных данных не требуется.

Простая модель может нагревать воздух или жидкость.Если он нагревает воздух, то PVT является частью контура воздушной системы HVAC с воздушными узлами, подключенными к воздушной системе. Если он нагревает жидкость, то PVT является частью контура установки с узлами, подключенными к контуру установки, и схема работы установки определяет потоки.

PVT-моделирование на основе воздушной системы включает в себя регулирующую байпасную заслонку. Логика управления определяет, должен ли воздух обходить коллектор, чтобы лучше соответствовать заданному значению. Модель требует, чтобы уставка температуры сухого термостата была размещена на выходном узле.Модель предполагает, что коллектор предназначен и доступен для обогрева, когда падающая солнечная энергия превышает 0,3 Вт / м ² , а в противном случае он предназначен для охлаждения. Температура на входе сравнивается с уставкой на выпускном узле, чтобы определить, является ли охлаждение или нагрев полезным. Если да, то для кондиционирования воздушного потока применяются тепловые модели PVT. Если они не приносят пользы, тогда PVT полностью обходится, и входной узел передается непосредственно в выходной узел, чтобы смоделировать полностью обходное устройство заслонки.Переменная отчета доступна для состояния заслонки байпаса.

Заводские PVT не включают байпас (хотя он может использоваться в заводском контуре). Коллектор запрашивает расчетный расход, но в остальном для управления он полагается на более крупный контур установки.

Когда PVT-тематический коллектор находится во включенном состоянии, в режиме нагрева и течет рабочая жидкость, модель вычисляет температуру на выходе на основе температуры на входе и собранной теплоты с использованием следующих уравнений.

где,

— собранная тепловая энергия [Вт]

— чистая площадь поверхности [м ² ]

— доля поверхностного воздуха с активным PV / T коллектором, а

— коэффициент теплового преобразования.

где,

— температура рабочей жидкости на выходе из PV / T

.

— температура рабочей жидкости на входе в PV / T

— это полный массовый расход рабочего тела через PV / T

— удельная теплоемкость рабочего тела.

Для воздушных систем значение затем сравнивается с уставкой температуры на выходном узле. Если температура на выходе превышает желаемую, то доля байпаса рассчитывается для моделирования регулирующей заслонки байпаса с использованием:

Когда PVT-тематический коллектор находится во включенном состоянии, в режиме охлаждения и рабочая жидкость течет, модель рассчитывает температуру на выходе на основе температуры на входе и тепла, излучаемого и конвектируемого в окружающую среду, с использованием теплового баланса на внешняя грань коллектора:

Где,

— это чистая скорость обмена длинноволновым (тепловым) излучением с воздухом, ночным небом и землей.См. Раздел «Внешнее длинноволновое излучение» в Тепловом балансе внешней поверхности, где подробно обсуждается, как это моделируется в EnergyPlus с использованием линеаризованных коэффициентов излучения.

— чистая скорость конвективного обмена потоком с наружным воздухом. См. Раздел «Внешняя / внешняя конвекция» в «Тепловом балансе внешней поверхности», где подробно обсуждается, как это моделируется в EnergyPlus. Шероховатость поверхности считается «очень гладкой».

Простая модель предполагает, что эффективная температура коллектора является средним значением температуры рабочей жидкости на входе и выходе, поэтому мы можем сделать следующую замену:

Подставляя и решая для, получаем следующую модель для температур коллектора во время (возможного) процесса охлаждения:

Затем можно рассчитать температуру на выходе и определить тепловые потери.Однако модель позволяет только ощутимое охлаждение воздушного потока и ограничивает температуру на выходе, чтобы она не опускалась ниже температуры точки росы на входе.

Коллекторы

PVT имеют расчетный объемный расход рабочей жидкости с возможностью автоматического изменения размеров. Для воздушных систем, используемых в качестве кондиционеров, объемный расход рассчитывается таким образом, чтобы соответствовать максимальному расходу наружного воздуха. Для водных систем на стороне подачи контура установки каждый из коллекторов PVT рассчитан на общую скорость потока контура.который был разработан путем анализа набора данных SRCC для обычных солнечных коллекторов (см. набор данных SolarCollectors.idf) и усреднения отношения для всех 171 различных коллекторов.

Источники [ССЫЛКА]

Хараламбус П.Г., Мейдмент Г.Г., Калагироу С.А. и Якуметти К. Фотоэлектрические тепловые (PV / T) коллекторы: обзор. Прикладная теплотехника 27 (2007) 275-286.

Зондаг, Х.А. 2008. Плоские фотоэлектрические коллекторы и системы: обзор.Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 12 (2008) 891-959.

неглазурованные солнечные коллекторы [ССЫЛКА]

Входной объект SolarCollector: UnglazedTranspired предоставляет модель просвечиваемых коллекторов, которые, возможно, являются одним из наиболее эффективных способов сбора солнечной энергии с продемонстрированной мгновенной эффективностью более 90% и средней эффективностью более 70%. Они используются для предварительного нагрева наружного воздуха, необходимого для вентиляции и таких процессов, как сушка сельскохозяйственных культур.

В EnergyPlus неглазурованный прозрачный солнечный коллектор (UTSC) моделируется как специальный компонент, прикрепленный к внешней стороне поверхности теплопередачи, которая также соединена с каналом наружного воздуха. UTSC влияет как на тепловую оболочку, так и на воздушную систему HVAC. С точки зрения воздушной системы, UTSC — это теплообменник, и моделирование должно определить, насколько устройство повышает температуру наружного воздуха. С точки зрения тепловой оболочки присутствие коллектора на внешней стороне поверхности изменяет условия, в которых находятся нижележащие поверхности теплопередачи.EnergyPlus моделирует работу здания в течение года, и UTSC часто будет отключаться с точки зрения принудительного воздушного потока, но коллектор все еще присутствует. Когда UTSC включен, всасываемый воздушный поток считается равномерным по всей поверхности. Когда UTSC выключен, коллектор действует как радиационно-конвекционная перегородка, расположенная между внешней средой и внешней поверхностью лежащей ниже поверхности теплопередачи. Мы различаем эти два режима работы как активный или пассивный и моделируем компонент UTSC по-разному в зависимости от того, в каком из этих режимов он находится.

Эффективность теплообменника [ССЫЛКА]

Перфорированная пластина абсорбера рассматривается как теплообменник и моделируется с использованием традиционной формулы эффективности. Эффективность теплообменника определяется из корреляций, полученных в результате небольших экспериментов. В EnergyPlus реализованы две корреляции, доступные в литературе. Первый основан на исследовании Кучера из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. Второй основан на исследовании Ван Декера, Холландса и Брюнгера из Университета Ватерлоо.Поскольку обе корреляции считаются действительными, выбор того, какую корреляцию использовать, остается за пользователем.

Корреляция Кутчера [ССЫЛКА]

Корреляция Кучера (1994) охватывает поверхностную конвекцию между коллектором и входящим потоком наружного воздуха, которая возникает на передней поверхности, в отверстиях и вдоль задней поверхности коллектора. Корреляция использует число Рейнольдса на основе диаметра отверстия в качестве шкалы длины и средней скорости воздуха, проходящего через отверстия, в качестве шкалы скорости:

где,

— скорость через отверстия [м / с]

— диаметр отверстия [м]

— кинематическая вязкость воздуха [м ² / с]

Корреляция является функцией числа Рейнольдса, геометрии отверстия, скорости набегающего потока воздуха и скорости, проходящей через отверстия:

где,

— шаг или расстояние между отверстиями, [м],

— диаметр отверстия, [м],

— пористость или доля площади отверстий, [безразмерная],

— средняя скорость воздуха, проходящего через отверстия, [м / с],

— скорость набегающего потока (скорость местного ветра) [м / с].

Число Нуссельта формулируется как:

где,

— это общий коэффициент теплопередачи, основанный на средней логарифмической разнице температур, [Вт / м ² · K] и

— теплопроводность воздуха [Вт / м · К].

КПД теплообменника:

Соотношение Кутчера было сформулировано для треугольного расположения отверстий, но на основе Ван Декера и др.(2001) мы допускаем использование корреляции для расположения и масштаба квадратных отверстий в 1,6 раза.

Корреляция Ван Декера, Холландса и Брюнгера [ССЫЛКА]

Van Decker et. al. расширил измерения Кучера, включив в него более широкий диапазон параметров коллектора, включая толщину пластины, шаг, скорость всасывания и структуру квадратных отверстий. Их формулировка модели отличается от модели Кучера тем, что модель была построена из отдельных моделей эффективности для передней, задней и отверстий коллектора.Их опубликованное соотношение:

где,

— средняя скорость всасывания через переднюю поверхность коллектора [м / с]

— толщина пластины коллектора

Температура на выходе теплообменника [ССЫЛКА]

Использование любого из приведенных выше соотношений позволяет определить эффективность теплообменника по известным значениям.По определению эффективность теплообменника также составляет:

где,

— температура воздуха, выходящего из коллектора и поступающего в камеру [ºC]

— это температура пластины поглотителя коллектора, [ºC], а

— температура окружающего наружного воздуха [ºC].

Переписав уравнение для решения для, мы увидим, что температура нагретого наружного воздуха, поступающего в камеру статического давления, может быть определена, если известна температура поверхности коллектора,

Тепловой баланс коллектора [ССЫЛКА]

Предполагается, что коллектор достаточно тонкий и имеет высокую проводимость, чтобы его можно было смоделировать с использованием одной температуры (для обеих сторон и по его площади).Эта температура определяется путем определения теплового баланса в контрольном объеме, который просто покрывает поверхность коллектора. Тепловые балансы сформулированы отдельно для активного и пассивного режимов и показаны на следующем рисунке.

Обратите внимание, что для пассивного случая мы не используем соотношения теплообменника для прямого моделирования взаимодействия вентилируемого воздуха с коллектором. Это потому, что эти отношения считаются неприменимыми, когда UTSC находится в пассивном режиме.Они были разработаны для однонаправленного потока (а не для уравновешенного потока на входе и выходе, ожидаемого от естественных сил) и для определенных диапазонов скорости на всасывающей стороне. Следовательно, этот механизм теплопередачи обрабатывается с использованием классических моделей поверхностной конвекции (как если бы коллектор не был перфорирован). (Воздухообмен моделируется как вентиляция в тепловом балансе приточного воздуха, но не взаимодействует с краями отверстий на поверхности коллектора.)

Тепловой баланс коллектора Transpired

Когда UTSC активен, тепловой баланс на контрольном объеме поверхности коллектора составляет:

где:

~~ поглощается прямым и рассеянным солнечным (коротковолновым) тепловым потоком излучения.

— это чистый обмен потоком длинноволнового (теплового) излучения с воздухом и окружающей средой.

— это поверхностный конвективный обмен потоком с наружным воздухом в условиях сильного ветра и дождя. Обратите внимание, что этот член обычно принимается равным нулю при разработке модели UTSC, но мы добавляем этот термин, чтобы учесть ухудшение характеристик UTSC в плохих условиях.

~~ — поток теплообменника от коллектора к входящему наружному воздуху.

~~ — чистый обмен потоком длинноволнового (теплового) излучения с внешней поверхностью подстилающей поверхности (ей).

— это термин «источник / приемник», который учитывает энергию, экспортируемую из контрольного объема, когда пластина поглотителя коллектора представляет собой гибридное устройство, такое как фотоэлектрическая панель.

При тепловом балансе на контрольном объеме пассивной поверхности коллектора:

где:

~~ = теплообмен поверхностной конвекции с наружным воздухом.

~~ = теплообмен поверхностной конвекции с приточным воздухом.

Все члены положительны для чистого потока в коллектор, за исключением члена теплообменника, который считается положительным в направлении от коллектора к входящему воздушному потоку. Каждый из этих компонентов теплового баланса кратко представлен ниже.

Внешнее излучение ПО [ССЫЛКА]

~~ рассчитывается с использованием процедур, представленных в другом месте в этом руководстве, и включает как прямое, так и диффузное падающее солнечное излучение, поглощаемое поверхностью поверхности.Это зависит от расположения, угла и наклона поверхности, затенения поверхностей, свойств материала поверхности, погодных условий и т. Д.

Внешнее ДВ-излучение [ССЫЛКА]

— это стандартная формулировка радиационного обмена между поверхностью, небом, землей и атмосферой. Тепловой поток излучения рассчитывается на основе коэффициента поглощения, температуры поверхности, температуры неба, воздуха и земли, а также факторов обзора неба и земли. Излучение моделируется с использованием линеаризованных коэффициентов.

Внешняя конвекция [ССЫЛКА]

~~ моделируется с использованием классической формулировки: ~~ = h _co (T _воздух — T _o ), где h _co — коэффициент конвекции. Этот коэффициент будет отличаться в зависимости от того, является ли UTSC активным или пассивным. Когда UTSC пассивен, h _co обрабатывается так же, как и внешняя поверхность в условиях ExteriorEnvironment. Когда UTSC активен, особая ситуация с потоком всасываемого воздуха в проходимом коллекторе во время работы означает, что h _co часто равно нулю, поскольку ситуация всасывания может исключить массовый перенос от коллектора.Однако при сильном ветре сильная турбулентность и сильно меняющиеся давления могут привести к нарушению всасывающего потока. Поэтому мы включаем этот член в тепловой баланс и используем специальный коэффициент для моделирования этой потерянной теплопередачи. Кроме того, когда на улице идет дождь, мы предполагаем, что коллектор намокает, и моделируем улучшенную поверхностную теплопередачу, используя большое значение для.

Теплообменник [ССЫЛКА]

~~ моделируется с использованием классической формулировки ~~, где определяется с использованием корреляций, описанных выше.Когда UTSC активен, массовый расход воздуха определяется по работе компонента смесителя наружного воздуха. Когда UTSC выключен, этот член равен нулю.

Plenum LW Radation [ССЫЛКА]

представляет собой стандартную формулировку радиационного обмена между поверхностью коллектора и лежащей под ним поверхностью теплопередачи, расположенной через камеру статического давления. Излучение моделируется с использованием линеаризованных коэффициентов.

Пленум-конвекция

[ССЫЛКА]

~~ моделируется с использованием классической формулировки: ~~ = h _cp (T _air — T _o ), где h _cp , — коэффициент конвекции.Этот коэффициент принимается равным нулю, когда UTSC работает из-за ситуации с потоком всасываемого воздуха. Когда UTSC выключен, значение h _cp получается из корреляций, используемых для оконных промежутков из стандарта ISO (2003) 15099.

Подстановка моделей и решение для дает следующее уравнение, когда UTSC активен («включен»):

и замена в дает следующее уравнение, когда UTSC пассивен («выключен»):

где,

Плоские солнечные коллекторы

— Solar Tribune

Конструкция плоского солнечного коллектора

Фотография предоставлена: Physics World

Застекленный плоский солнечный коллектор представляет собой изолированный ящик, покрытый стеклом или пластиком, с металлической пластиной-поглотителем на дне для поглощения солнечного излучения.Атмосферостойкие коллекторы обычно покрываются покрытием для лучшего удержания тепла. Жидкий теплоноситель течет по металлическим трубкам, расположенным под пластиной поглотителя. Затем жидкость проходит через теплообменник перед попаданием в резервуар для хранения.

Неглазурованные плоские коллекторы (без изоляции или абсорбирующего покрытия) не работают в прохладном или ветреном климате, но отлично подходят для нагрева воды в бассейне.

КПД плоских солнечных коллекторов

На степень нагрева воды коллектором влияет ряд факторов, включая температуру окружающей среды и доступный солнечный свет.

Плоские солнечные тепловые коллекторы несут большие потери тепла, чем другие типы солнечных коллекторов, и поэтому являются не самым эффективным типом. Однако плоские солнечные водонагреватели подходят для более широкого диапазона климатов. Поскольку эти коллекторы могут использовать теплоноситель, такой как антифриз, а не напрямую нагревать воду для дома, этот тип солнечной тепловой панели можно использовать в более холодном климате.

Установка плоского коллектора. Фото: Viessman

Вакуумные трубчатые коллекторы часто более эффективны, чем плоские пластинчатые коллекторы, поскольку они способны достигать более высоких температур.Однако способность к более высоким температурам не должна быть единственной характеристикой, на которую следует обращать внимание при выборе системы солнечного нагрева воды.

Системы с вакуумированными трубками больше подходят для коммерческих целей, когда требуется большее количество воды при более высоких температурах, например, в прачечной. В большинстве случаев система плоских пластин подходит для нагрева воды в вашем доме.

Стоимость плоских солнечных коллекторов

Хотя они не являются самыми эффективными солнечными коллекторами, плоские пластины служат более 25 лет и являются одним из наиболее экономически эффективных вариантов солнечной системы водяного отопления в жилых домах.Коллекторы с плоскими пластинами являются наиболее прочным типом коллекторов и могут быть дешевле систем с вакуумными трубами.

Как правило, один коллектор с плоской пластиной может обеспечить достаточное количество энергии для нагрева около 40 галлонов воды для бытового горячего водоснабжения. Согласно EnergyStar.gov, семья из четырех человек может получать около половины своей горячей воды из двух коллекторов.

Солнечные плоские пластинчатые коллекторы | Плоские панели для солнечного нагрева воды

Плоские солнечные коллекторы

Solar Panels Plus, сертифицированные SRCC, обеспечивают доступное бесплатное горячее водоснабжение от солнечных батарей.

Эти плоские солнечные коллекторы, предназначенные как для систем с обратным отводом, так и для систем с обратной связью, идеально подходят для бытовых и небольших коммерческих систем горячего водоснабжения. В них сочетаются материалы высочайшего качества с новейшими европейскими технологиями.

Используя коллекторы SPP-Monarch и SPP-Spartan, Solar Panels Plus может удовлетворить все ваши потребности в плоских солнечных батареях, будь то бытовая система горячего водоснабжения или крупный коммерческий или государственный проект.

SPP-Monarch Плоский солнечный коллектор

SPP-Monarch — это наш высокопроизводительный плоский солнечный коллектор. Эти коллекторы используются в основном в солнечных установках для горячего водоснабжения, а также в системах отопления помещений.

Эти плоские коллекторы доступны в 3 размерах: 4 ‘x 6,5’, 4 ‘x 8’ и 4 ‘x 10’. Эти размеры: на складе и доступны для быстрой доставки к вам или прямо на строительную площадку.

Коллекторы SPP-Monarch, использующие методы ультразвуковой сварки, синее напыленное покрытие и полиуретановую изоляцию, идеально подходят для всех типов и размеров солнечных батарей.

Купите American Compliant и SRCC с сертификатом , эти коллекторы идеально подходят как для жилых, так и для коммерческих применений.

Эти сертификаты позволяют SPP-Monarch иметь право на различные финансовые стимулы — будь то налоговые льготы штата, местные или федеральные налоговые льготы, скидки или другие льготы.

Характеристики продукта:

• Buy American Compliant: Коллектор SPP-Monarch соответствует закону Buy American Act (BAA) и American Recovery & Reinvestment Act (ARRA), что является требованием для многих коммерческих и государственных проектов
  
• Сертификат SRCC: Collector сертифицирован OG-100, что позволяет сборщику SPP-Monarch иметь право на федеральные, государственные и местные льготы, такие как скидки и налоговые льготы
  
• Ультразвуковая сварка алюминиевых ребер: Ультразвуковая сварка металла позволяет создать надежный, долговечный и долговечный коллектор, способный выдерживать термическое напряжение и все типы условий окружающей среды
  
• Покрытие абсорбера с синим напылением: Новейшая технология абсорбции, это покрытие обеспечивает высочайшую скорость абсорбции и наименьшие выбросы, обеспечивая высочайшую производительность и эффективность
  
• Полиуретановая изоляция: Высококачественная, эффективная и долговечная полиуретановая изоляция обеспечивает наилучшее удержание тепла и гарантирует, что плоский солнечный коллектор будет обеспечивать надежное и эффективное производство тепла в течение всей зимы

Документация для плоского солнечного коллектора SPP-Monarch

SPP-Spartan Плоский солнечный коллектор

SPP-Spartan — это наш стандартный плоский коллектор солнечных батарей.Эти коллекторы используются в основном в солнечных установках для горячего водоснабжения как в жилых, так и в коммерческих целях.

Эти коллекторы доступны в двух размерах: 4 ‘x 8’ и 4 ‘x 10’. Оба размера: на складе и доступны для быстрой доставки в ваш офис или прямо на стройплощадку.

Коллекторы SPP-Spartan, использующие ультразвуковую сварку и изоляцию из стекловаты и стекловолокна, идеально подходят для бесплатного горячего водоснабжения от солнечных батарей для больших и малых семей или для коммерческих целей.

Коллектор SPP-Spartan, как и его аналог SPP-Monarch, также соответствует Buy American Compliant и SRCC сертифицирован .

Это позволяет вашим клиентам воспользоваться местными, региональными и федеральными налоговыми льготами и другими финансовыми льготами.

Особенности продукта

• Buy American Compliant: Коллектор SPP-Spartan соответствует закону Buy American Act (BAA) и American Recovery & Reinvestment Act (ARRA), который является требованием для многих коммерческих и государственных проектов
  
• Сертификат SRCC: Collector сертифицирован OG-100, что позволяет коллекционеру SPP-Spartan претендовать на федеральные, государственные и местные льготы, такие как скидки и налоговые льготы
  
• Ультразвуковая сварка алюминиевых ребер: Ультразвуковая сварка металла позволяет создать надежный, долговечный и долговечный коллектор, способный выдерживать термическое напряжение и все типы условий окружающей среды
  
• Черное абсорбирующее покрытие: Черное абсорбирующее покрытие — это покрытие с высокой абсорбирующей способностью, которое обеспечивает очень высокий уровень солнечной энергии, позволяя производить экономичное бесплатное солнечное тепло и горячую воду.

  No related posts.