Данная статья ставит целью рассмотреть солнечные коллекторы с теоретической точки зрения, чтобы помочь создавать их на практике. Критика и комментарии приветствуются. Солнечный коллектор представляет собой аппарат для преобразования энергии светового (и теплового) излучения в тепло. Для удобства мы будем рассматривать СК с полезной площадью абсорбера 1 м², находящийся в закрытом корпусе. Максимальная энергия попадает на СК, когда лучи солнца перпендикулярны его плоскости. В зависимости от географического положения общее количество энергии сильно разнится, мы так же для удобства, предположим солнечный день в несеверных широтах и будем считать количество световой энергии, падающей на солнечный коллектор, 1 КВт. Почти вся эта энергия преобразуется солнечным коллектором в тепловую. Далее часть полученной тепловой энергии уходит через корпус в окружающую атмосферу, а остальная передается теплоносителю. Закон сохранения энергии говорит, что количество полезной полученной тепловой энергии равно количеству упавшей на абсорбер солнечной энергии (которую можно примерно оценить) минус количество потерянной энергии. Попробуем определить количество теряемой энергии, чтобы понять, как можно повысить эффективность СК. Теплопотери идут непосредственно через корпус, а также тепловым излучением через остекление изнутри. Для уменьшения обратного теплового излучения поверхность абсорбера покрывается специальным селективным покрытием или просто красится в черный цвет. По оценкам, селективное покрытие сохраняет 5%-10% полученной энергии. В случае открытого СК («черная бочка») теплопотери идут также через конвекцию воздуха. При этом происходит «соревнование» - насколько быстрей абсорбер сумеет отдать тепло теплоносителю, чем его заберет атмосферный воздух, и высокая теплопроводимость материалов играет здесь решающую роль. В случае герметичного СК такого не наблюдается, и получается с первого взгляда парадоксальный вывод, что в герметичном СК не важно из чего делать трубки для теплоносителя – из меди или полипропилена. Так же, вроде бы, не важно, крепить трубки к абсорберу или нет – все равно полученное тепло рано или поздно перейдет в теплоноситель. Однако это не совсем так – при медленной теплоотдаче теплоносителю происходит излишний нагрев абсорбера СК. При увеличении разницы внутренней и внешней температур увеличиваются потери в окружающую среду через корпус и падает КПД. В случае с вакуумными трубками теплопотери идут через места их соединений и обратное тепловое излучение самих трубок. Теоретически, на плоском хорошо теплоизолированном СК можно получить больше энергии, чем с СК на вакуумных трубках, так как полезная площадь съема солнечной энергии у второго СК сильно меньше, чем у первого. Итак, увеличение КПД солнечного коллектора возможно: 1. Увеличением светового потока (ориентация СК на солнце, уменьшение потерь на стекле); 2. Уменьшением теплопотерь через корпус СК. Посчитаем теплопотери через корпус коллектора. Сопротивление теплопередаче ограждения, Rо, состоит из трех отдельных сопротивлений: 1. Rв - сопротивление тепловосприятию, сопротивление при переходе теплоты от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения, Rв=0,115 м² • °С/Вт (постоянная величина); 2. R - термическое сопротивление ограждения, сопротивление при переходе теплоты через толщу самого ограждения; 3. Rн - сопротивление теплоотдаче, сопротивление при переходе теплоты от наружной поверхности ограждения к наружному воздуху, Rн=0,043 м² • °С/Вт (постоянная величина); Т. о. формула сопротивления теплопередаче ограждения выглядит: Rо= Rв+R+Rн. Термическое сопротивление ограждения, R, прямо пропорционально толщине слоя, δ - м, и обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности, применяемого материала, λ - Вт/(м• °С), R = δ ⁄ λ , а это означает, что термическое сопротивление ограждения тем выше, чем больше толщина применяемого утеплителя, и чем ниже коэффициент его теплопроводности. Рассчитаем термическое сопротивление задней и боковых стенок корпуса СК, выполненных из 10-и сантиметрового пенопласта: R = 0,1м ⁄ 0,05Вт/(м•°С) = 2 м² • °С/Вт Rв и Rн относительно малы, и ими можно пренебречь. Далее рассмотрим формулу для вычисления теплопотерь: Q = dT / Rгде: Q - количество тепла, которое теряет 1 м² корпуса, измеряемое в ваттах на квадратный метр (Вт/ м²); dT – разница температур в градусах Цельсия (°С); R – термическое сопротивление (°С· м²/Вт). В случае с нашим пенопластовым корпусом при dT = 50 °С получим Q = 25 Вт/ м². С учетом боковых стенок в итоге имеем порядка 40 Вт. То есть, из 1 КВт солнечной энергии 40 Вт будут теряться через стенки корпуса. При уменьшении толщины стенок в два раза, потери вырастут так же в два раза. При увеличении разницы температур внутри корпуса и снаружи в 2 раза, потери так же вырастут в два раза. Теперь рассмотрим остекление. Допустим у нас качественный однокамерный стеклопакет 4M1-16-4M1. Его термическое сопротивление по ГОСТу - 0.35 м² • °С/Вт. При dT = 50 °С получим Q = 143 Вт/ м². Посчитаем потери через обычное стекло толщиной 4 мм. Его термическое сопротивление – 0,005 м² • °С/Вт. В данном случае Rв и Rн важны. Общее R = 0,163 м² • °С/Вт. При разнице температур в 50 °С получим потери в 300 Вт/ м². У сотового поликарбоната толщиной 6 мм показатели примерно аналогичны однокамерному стеклопакету. Однако нужно учитывать, что стеклопакет сильно уменьшает светопоток при косых лучах солнца. Использование стеклопакета даст хороший выигрыш вкупе с системой позиционирования СК. Как видно, теплоизолированный корпус – очень важная составляющая солнечного коллектора. Задняя и боковые стенки особо не вызывают затруднений, а вот выбор остекления не столь однозначен. Теплопотери через корпус напрямую зависят от разницы температур внутри корпуса и снаружи. Таким образом, основным способом повысить эффективность солнечного коллектора при данном корпусе и системе позиционирования на солнце (или ее отсутствии) является снижение температуры внутри него.
Рассмотрим теплопотери на примере. Возьмем три разнотипных коллектора: плоский бак, медный лист с припаянной медной трубкой, полипропиленовые трубки перед металлическим адсорбером. У каждого из этих вариантов свои плюсы и минусы, мы их исследуем только на предмет теплопотерь. Задача - нагреть воду с 10 °С до 70 °С. Условия - осень, температура +10°С, инсоляция постоянная (прямые солнечные лучи) 800 Вт/м. Корпус пенопластовый с одинарным стеклом. Главное отличие рассматриваемых СК - внутренняя температура. У первого она почти равна температуре теплоносителя, поэтому в среднем можно взять разницу внешней и внутренней температур для него в 30 °С. Второй СК сильней нагревается, у него пусть будет разница температур 60 °С. И у третьего скорость теплопередачи совсем низкая, поставим разницу температур в 90 °С. Теплопотери через корпус получаются 25, 50 и 75 Вт соответственно. Теплопотери через одинарное стекло, округленно: 1. Плоский бак - 200 Вт 2. Медная трубка - 400 Вт 3. ПП трубки - 600 Вт 200 Вт во втором и 400 Вт в третьем случае - это тепло, которое абсорбер не успевает передать теплоносителю, и оно уходит в окружающую атмосцеру. КПД: 1. Плоский бак - 70% 2. Медная трубка - 45% 3. ПП трубки - 15%.
Как видим, основные потери эффективности происходят из-за высокой температуры внутри СК. Каким образом можно ее снизить, не меняя конструкцию абсорбера и каналов теплоносителя? Это можно сделать дополнительным принудительным охлаждением солнечного коллектора. Совместить жидкостный и воздушный теплоносители - сделать проток воздуха через СК. Если рядом стоит жилой дом, то можно прогонять через коллектор воздух от пола (5-15 °С), и возвращать горячий воздух обратно в дом. Если теплого помещения рядом нет, то можно делать горячим воздухом предварительный (теплообменник у дна) подогрев основной емкости, которую греет жидкостный теплоноситель. "Тепловентилятор" 200-400 Вт - это небольшая мощность, однако она позволит значительно увеличить общий КПД солнечного коллектора, приблизив его (и, теоретически, даже сделав больше, если не учитывать другие теплопотери - ведь температура внутри корпуса будет в среднем ниже температуры даже жидкостного теплоносителя), к показателям солнечного коллектора с плоским баком.