Солнечные тепловые коллекторы: от простой бочки до высокоэффективных систем

Солнечные тепловые коллекторы (ТСК) — один из наиболее эффективных способов прямого преобразования солнечной энергии в тепловую. В эпоху роста цен на энергоносители и поиска устойчивых решений для отопления и горячего водоснабжения солнечные коллекторы становятся особенно актуальными. Они находят применение как в бытовом секторе, так и в промышленности, предлагая экономичную и экологически чистую альтернативу традиционным системам.

Современные ТСК представляют собой высокотехнологичные установки, сочетающие в себе знания в области физики, материаловедения, оптики и термодинамики. Однако даже самый простой вариант — тёмный металлический бак, подставленный под солнце — наглядно демонстрирует базовый физический принцип: любой тёмный объект, поглощающий солнечное излучение, способен нагреваться и передавать тепло окружающей среде.

В данной работе рассматриваются как примитивные, так и современные формы ТСК, включая ключевые компоненты, конструктивные решения, материалы и теплоносители. Кроме того, затрагиваются аспекты селективных покрытий и остекления, определяющие эффективность систем.

Первые попытки использовать солнечную энергию для нагрева воды предпринимались ещё в древности. Археологические находки показывают, что уже в Древнем Риме жители применяли чёрные каменные плиты для обогрева воды в купальнях.

Первый практический солнечный коллектор в привычной нам форме появился в конце XIX века. В 1891 году американский инженер Кларенс Кембл изобрёл «Climax» — водонагреватель с резервуаром, окрашенным в чёрный цвет и заключённым в деревянный короб со стеклянным верхом. Это устройство уже имело базовую теплоизоляцию и принцип, аналогичный современным коллекторам.

В XX веке развитие технологий и материалов привело к появлению вакуумных трубчатых систем, селективных покрытий, новых типов остекления и высокоэффективных теплоносителей. В 1970-х годах, на фоне нефтяного кризиса, солнечные системы начали активно использоваться в Европе, Израиле, Японии и США.

Сегодня солнечные тепловые коллекторы стали неотъемлемой частью «зелёной» энергетики.

1. Принцип работы солнечного теплового коллектора

Даже самая элементарная конструкция солнечного теплового коллектора (ТСК), представленная в виде окрашенной в чёрный цвет металлической ёмкости, установленной на крыше здания, способна выполнять основную задачу – трансформировать солнечную энергию в тепло. Такой упрощённый вариант коллекторной системы изображён на рис. 4.

Рис. 4. Примитивный солнечный тепловой коллектор в виде бочки

Принцип функционирования этой установки достаточно прямолинеен: солнечная радиация поглощается металлической поверхностью бака, покрытой черной краской для повышения эффективности нагрева. Поглощённая энергия преобразуется в тепловую, которая далее передаётся воде внутри ёмкости. Вода нагревается за счёт теплопередачи от стенок резервуара.

Тем не менее, данная схема имеет массу уязвимых сторон. Во-первых, эффективный нагрев воды возможен только при наличии прямого солнечного излучения. Облачность или тень сводят теплопередачу практически к нулю. Во-вторых, отсутствие теплоизоляционного слоя приводит к стремительному охлаждению воды вечером и в пасмурные часы – особенно при ветре и температурах ниже 25 градусов Цельсия, что вполне реально даже в летний период.

Несмотря на перечисленные ограничения, данное устройство с точки зрения физики полностью реализует принцип преобразования солнечной энергии в тепловую, пригодную для бытового использования.

В более совершенных и производительных системах используются солнечные тепловые коллекторы заводского изготовления. Некоторые из них изображены на рис. 5. Они могут быть смонтированы как на скатных кровлях жилых домов, так и на фасадах общественных и коммерческих сооружений.

Рис. 5. Тепловые солнечные коллекторы, установленные на крышах и стенах индивидуальных и коммерческих сооружений

Работа промышленных СК происходит поэтапно. Первоначально электромагнитное излучение в диапазоне 300–1100 нм – то есть видимый и ближний инфракрасный свет – попадает на специальную поглощающую поверхность, называемую абсорбером. Он покрыт селективным слоем, увеличивающим коэффициент поглощения.

Абсорбер – ключевой функциональный компонент, служащий для трансформации световой энергии в тепловую. После этого полученное тепло передаётся на элементы, в которых циркулирует рабочая жидкость.

Роль теплоносителя могут выполнять как жидкости (чаще всего антифриз или вода), так и газы – в зависимости от конструктивного исполнения коллектора. С этой точки зрения тепловые СК классифицируются следующим образом:

• жидкостные (на основе жидкости);
• воздушные (с перемещением нагретого воздуха).

При этом передача тепла от теплоносителя к конечным точкам – будь то бойлер, система отопления или другая система потребления – происходит в завершающем этапе. К примеру, на рис. 6 показан элементарный воздушный солнечный коллектор, в котором алюминиевая воздушная труба, покрытая черной краской, выполняет роль абсорбера. Воздух перемещается благодаря вентилятору, обеспечивающему поток через нагретый канал.

Рис. 6. Простейший воздушный тепловой солнечный коллектор

Жидкостные СК, в которых циркуляция жидкости осуществляется за счёт разницы плотности холодного и нагретого теплоносителя, классифицируются как системы с естественной (или прямоточной) циркуляцией. Если же движение жидкости обеспечивается насосным оборудованием, такие устройства относятся к типу с принудительной циркуляцией. Соответственно, по критерию энергозависимости можно выделить:

• энергетически независимые – функционируют без дополнительной подачи энергии;
• энергетически зависимые – требуют внешнего источника энергии для циркуляции теплоносителя.

Существует также классификация по количеству контуров передачи тепла. В одноконтурных системах абсорбер непосредственно нагревает тот же теплоноситель, который подаётся в потребительскую систему. В отличие от них, двухконтурные коллекторы включают фазовый переход: специальная жидкость испаряется при нагреве в первом контуре, после чего конденсат передаёт тепло другому теплоносителю через теплообменник.

Все вышеуказанные виды, включая комбинации и специальные технические решения, будут более подробно рассмотрены в следующих разделах данного обучающего материала.

2. Основные элементы коллектора

Как уже отмечалось, ключевым компонентом солнечного коллектора (СК) является абсорбер. Именно в нем происходит непосредственная передача солнечной энергии теплоносителю, который затем используется в системах горячего водоснабжения и отопления. В связи с этим, к материалу изготовления абсорбера предъявляются крайне важные и строго определенные требования:

• значительная теплопроводность;
• доступность по стоимости;
• стойкость к нагреву, воздействию атмосферных условий и ультрафиолета;
• долговечность, обеспечивающая устойчивость характеристик с течением времени;
• простота в механической обработке и формовании.

В некоторых конфигурациях, как, например, в простом термосифонном солнечном коллекторе (ТСК) в виде бочки (см. рис. 4), материал абсорбера должен обладать повышенной прочностью, поскольку он выполняет не только функцию теплообменника, но и резервуара для хранения жидкости, находящейся под давлением.

На практике чаще всего для производства абсорберов применяются металлы с высокой теплопроводностью: медь, алюминий и сталь. Иногда, особенно в бюджетных моделях, используется пластик, несмотря на его крайне низкие теплотехнические характеристики.

В табл. 1 представлены значения коэффициентов теплопроводности различных веществ, которые применяются как в абсорберах, так и в других элементах СК.

Очевидно, что медь является наиболее предпочтительным вариантом по теплопроводности. Для сравнения: теплопроводность железа примерно в четыре раза ниже, чем у меди, и в 2,5 раза ниже, чем у алюминия. Однако высокая стоимость меди и алюминия делает их применение экономически не всегда оправданным.

Пластиковые абсорберы применимы лишь в системах, где эффективность отходит на второй план. Например, в недорогих бытовых коллекторах. Пластик уступает стали в теплопроводности более чем в 200 раз. Альтернативным решением являются абсорберы из стекла с покрытием: теплопроводность стекла в 20 раз хуже, чем у стали, но оно демонстрирует стойкость к старению, химическим воздействиям, долговечность и относительно низкую стоимость.

Сама конструкция абсорберов будет подробно рассмотрена далее. Здесь же сосредоточим внимание на том, как именно абсорбер улавливает и передает солнечную энергию теплоносителю.

Чтобы минимизировать потери тепловой энергии в виде инфракрасного излучения, поверхность абсорбера покрывается специальным селективным слоем.

Селективное покрытие — это технологически нанесенное покрытие, обеспечивающее максимальное поглощение солнечной энергии при минимальных потерях в виде теплового излучения.

Такое покрытие может быть реализовано в виде многослойных лаков, тонкопленочных структур, либо методом напыления, анодирования, гальванического осаждения, химического травления или вакуумного напыления. Иногда используется термическая или химическая обработка металлической поверхности для увеличения ее селективности.

Важно, чтобы селективный слой сохранял свои теплофизические свойства на протяжении длительного времени, был устойчив к ультрафиолету, окислению, влажности и другим агрессивным воздействиям окружающей среды.

Селективные покрытия оцениваются по трем ключевым параметрам:

• Поглощение солнечной радиации (поглощающая способность);
• Тепловое излучение в инфракрасной области (излучающая способность);
• Общая термическая эффективность (соотношение этих двух параметров).

Чем выше коэффициент поглощения и ниже коэффициент излучения, тем выше общая эффективность покрытия.

В табл. 2 представлены значения эффективности различных типов селективных покрытий, применяемых в солнечных коллекторах.

Можно ли использовать обычную черную масляную краску? Ответ однозначный — нет. Такие краски окрашивают абсорбер в черный цвет, но они теряют способность к поглощению при длительном воздействии ультрафиолета, выцветают, излучают тепло и в целом снижают эффективность коллектора. Более того, краска способна действовать как теплоизоляция, препятствуя передаче тепла.

В отличие от примитивных решений, современные многослойные селективные покрытия на основе черного хрома, никеля или медных оксидов достигают коэффициентов поглощения до 0,95. Некоторые производители, такие как «Stancolac», заявляют о селективных красках («Илиолак») с коэффициентом 0,99.

Отдельный класс — селективные пленки: они бывают одно- и многослойными, наносятся на металлизированную основу и демонстрируют отличные показатели — поглощение на уровне 0,95 при излучении менее 5 %, а эффективность способна достигать 20 и выше. Основной минус — высокая стоимость.

Дополнительно возможно повышение селективности абсорбера путем химической обработки его поверхности. Например, чернение меди с использованием персульфата калия, хлорита натрия или каления металла до появления оксидной пленки обеспечивает стабильное поглощение солнечной энергии.

Защитные стекла солнечных коллекторов

Для минимизации потерь тепловой энергии, которую аккумулируют абсорберы под воздействием солнечного излучения, используется прозрачное защитное остекление. Оно позволяет солнечным лучам беспрепятственно проникать внутрь, при этом снижая уровень теплового излучения обратно в атмосферу.

Ключевые требования, предъявляемые к подобным защитным покрытиям, включают:

• устойчивость к механическим воздействиям, таким как удары града и внешние нагрузки;
• высокий коэффициент пропускания света;
• облегчённая конструкция, минимизирующая массу стекла;
• стойкость к ультрафиолетовому облучению без деградации свойств;
• способность выдерживать продолжительное термическое воздействие;
• сохранение светотехнических характеристик на всём сроке эксплуатации;
• долговечность и надёжность в любых климатических условиях;
• способность к самоочищению за счёт внешнего слоя или текстуры.

Максимальная пропускаемость солнечного излучения через стеклянную поверхность является критически важным параметром. На рис. 7 представлена схема, иллюстрирующая прохождение солнечных лучей через стеклянное покрытие. Специальные антирефлексные стекла, имеющие покрытие с обеих сторон, позволяют существенно уменьшить коэффициент отражения. Такие материалы способны пропускать до 96% световой энергии, тогда как стандартные закалённые аналоги имеют этот показатель не выше 92%.

Рис. 7. Схема прохождения солнечных лучей через защитное стеклянное покрытие плоских тепловых коллекторов

Существуют различные типы защитного остекления, используемого в солнечных коллекторах:

Обычное оконное стекло отличается относительно неплохой светопропускаемостью — около 90–92 %, а также устойчивостью к длительной эксплуатации. Однако оно хрупкое, обладает значительной массой и плохо переносит высокие температуры.

Закалённое стекло — это специально обработанный материал, обладающий высокой прочностью, безопасностью при разрушении, повышенной термостойкостью и светопроницаемостью около 92%. Несмотря на эти достоинства, оно остаётся тяжёлым и требует значительных затрат при производстве.

Прозрачный сотовый поликарбонат также используется как вариант покрытия. Он легче стекла, прост в установке и обработке, устойчив к УФ и температурным перепадам, но светопропускающая способность его ниже — около 80 %. Кроме того, он теряет прозрачность со временем и служит не более 5–7 лет.

В современных плоских тепловых солнечных коллекторах (ТСК) наибольшее распространение получили антирефлексные закалённые стекла с пониженным содержанием железа. Они обладают толщиной от 3,0 до 3,5 мм, а их наружная поверхность покрыта слоем диоксида титана, который способствует естественному выгоранию органических загрязнений под воздействием солнечного света.

Теплоносители солнечных тепловых коллекторов

Теплоноситель играет важнейшую роль в системе: он переносит аккумулированное тепло от коллектора к устройствам отопления и горячего водоснабжения.

Как уже упоминалось, ТСК могут использовать как жидкие, так и газообразные среды. Газообразным теплоносителем чаще всего является воздух. В жидкостных же системах основным выбором остаётся вода, благодаря своей высокой теплоёмкости и повсеместной доступности. Однако водные системы эффективны только в регионах без риска замерзания, что требует дополнительных мер защиты в холодных климатах.

Существуют базовые и специфические требования к теплоносителям, которые определяются условиями эксплуатации, температурным режимом и химическим составом материалов, применённых в конструкции.

Основные требования к теплоносителям включают:

• химическая нейтральность к материалам системы;
• низкий уровень вязкости при различных температурах;
• максимально возможная теплоёмкость;
• высокий коэффициент теплоотдачи.

Вода — распространённейший теплоноситель благодаря нулевой стоимости и безопасности. Но её свойства при пониженных температурах — замерзание ниже 0 °С — создают риски разрушения элементов системы. К тому же, вода активно вызывает коррозию металлических компонентов (особенно при высоких температурах) и содержит соли жёсткости, образующие накипь. Добавление ингибиторов коррозии и использование систем обратного осмоса помогают частично решить эти проблемы. Главный её минус — замерзание.

Антифризы — это жидкости, устойчивые к отрицательным температурам, представляющие собой альтернативу воде в холодных климатах.

Требования к антифризным составам:

• высокая температурная стойкость без возгорания;
• нетоксичность и отсутствие опасных веществ;
• инертность к материалам оборудования.

Одним из наиболее безопасных вариантов считается теплоноситель на базе пропиленгликоля. Он слабо воспламеняется, не представляет опасности для здоровья, кипит при температуре около 188 °С и обладает плотностью порядка 1,04 г/см³. Это органическая жидкость, в которую для продления срока службы добавляются антиокислительные и стабилизирующие присадки. Иногда в неё включают масла и силиконы для повышения температурной устойчивости, что, однако, может привести к увеличению вязкости и ухудшению теплоотдачи.

Антифризы на этиленгликоле применять запрещено — он токсичен. Этиловый спирт также не подходит: он слишком летучий и имеет низкую температуру кипения.

При эксплуатации солнечной системы в климате, где температура не опускается ниже нуля, а максимальная достигаемая температура не превышает 100 °С, допустимо использовать очищенную воду с добавками, предотвращающими коррозию. В таких условиях вода остаётся отличным теплоносителем при минимальных затратах.

Заключение

Интересные факты:

• Израиль стал первой страной, где установка солнечного водонагревателя является обязательной в новостройках.

• Некоторые современные селективные покрытия способны поглощать до 99 % солнечной радиации и терять менее 5 % в виде теплового излучения.

• Вакуумные трубчатые коллекторы не боятся морозов: внутренняя трубка находится в условиях практически полного вакуума, что минимизирует теплопотери.

• Самодельные коллекторы из алюминиевых банок и стекла могут достигать КПД до 60 %, если правильно изолированы.

• Коллекторы могут работать даже зимой, при отрицательных температурах воздуха — если есть солнце, тепло генерируется.

Солнечные тепловые коллекторы — это пример того, как простые физические принципы, грамотно воплощённые в инженерных решениях, могут приносить ощутимую пользу в реальной жизни. Начиная с примитивной бочки на крыше и заканчивая многослойными селективными системами с компьютерным управлением — вся эта эволюция доказывает эффективность использования солнечной энергии.

При правильном проектировании и подборе материалов, солнечные ТСК становятся не только устойчивым, но и экономически выгодным решением, особенно в регионах с высоким уровнем инсоляции. Их широкое распространение в будущем — лишь вопрос времени, а значит, знание принципов работы и устройства этих систем становится всё более востребованным.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Современные смазочные материалы: их классификация, характеристики и применение - 03.05.2025
• Современные методы и средства измерения влажности древесины и древесных материалов - 03.05.2025
• Автономные установки для удаления пыли и стружки: преимущества и перспективы применения - 03.05.2025