Солнечные коллекторы различаются конструкцией, но назначение у них общее: собрать тепловую энергию солнечных лучей, приходящую в видимой и прилегающей инфракрасной частях спектра, и нагреть за счёт неё теплоноситель. Применяют их для отопления, горячего водоснабжения и проветривания построек разного назначения.
Плоские коллекторы
Конструкция включает:
- Абсорбер — элемент, поглощающий солнечный свет и связанный с теплопроводящей конструкцией. Это самая высокотехнологичная часть: для роста эффективности его покрывают селективным никелевым слоем, напылением окиси титана либо окрашивают в чёрный цвет.
- Термоизоляцию изнаночной стороны панели; обычно её делают из полиизоцианурата — жёсткого полимерного термореактивного материала с закрытыми ячейками.
- Прозрачный слой из рифлёного поликарбоната или закалённого стекла с низким содержанием железа.
- Трубки для теплоносителя из сшитого полиэтилена или меди.
Работа плоского коллектора построена на парниковом эффекте: стекло пропускает лучи внутрь корпуса, энергия накапливается и через алюминиевые или медные элементы передаётся теплоносителю — воде либо незамерзающему раствору. Панель дополнительно обрабатывают силиконовым герметиком, добиваясь полной воздухонепроницаемости.
Результативность нагрева зависит от количества поступающего излучения: чем больше энергии дошло до теплоносителя, тем выше эффективность. Увеличить её помогают специальные оптические покрытия, удерживающие тепло. Саму эффективность характеризуют выработкой нагретой жидкости на 1 м² поверхности устройства. Плоские модели способны нагревать теплоноситель до 200 ºC.
Вакуумные коллекторы
Здесь поглощающий элемент отделён от окружающей среды вакуумным слоем, за счёт чего теплопотери практически устранены, а селективное покрытие дополнительно снижает потери на излучение.
Теплонакопители представляют собой трубки, собранные по принципу термоса: детали вставлены друг в друга, а в зазоре создан вакуум. Узкоцилиндрическая форма обеспечивает падение лучей под углом 90º к оси, что увеличивает количество энергии, получаемой с единицы площади, в том числе утром и вечером. Трубчатые системы хорошо собирают рассеянное излучение — фактически они работают как плоские модели, умеющие поворачиваться вслед за солнцем. Рабочее пространство можно расширить отражателями. Благодаря минимальным потерям вакуумный коллектор незаменим в морозы, а преимущество перед плоскими панелями он получает уже при температуре ниже 15 ºC.
С прямой передачей тепла жидкости
Трубки располагаются под определённым углом и подсоединяются к баку-накопителю: вода из бака течёт прямо в трубки, прогревается и возвращается. Отсутствие промежуточных элементов — важное достоинство. Такие коллекторы могут работать и без бака-накопителя.
С прямой передачей тепла и встроенным теплообменником
Устроены примерно так же, но имеют теплообменник, подсоединённый изнутри бака; такой аппарат допустимо встраивать в напорную систему водоснабжения. Для работы при температуре до -10 ºC в контур нагрева заливают незамерзающий раствор. Отложений внутри не образуется: вода движется только внутри медного теплообменника, а её объём остаётся неизменным.
С теплотрубками
В дорогих моделях используют запечатанные медные термические трубки, заполненные легкокипящим раствором. Нагретая жидкость при испарении забирает энергию, уносит её к теплоносителю и конденсируется в верхней части, после чего конденсат стекает обратно — и цикл повторяется. Тепло передаётся через медную «гильзу» приёмника. Отопительный контур физически отделён от трубок, поэтому повреждение одной или нескольких деталей не выводит коллектор из строя, а их замена не требует полностью сливать незамерзающий раствор. Такие модели работоспособны при морозах до -35 ºC (стеклянные тепловые трубки) и до -50 ºC (металлические).
Коллекторы с концентраторами
Под поглощающими элементами располагают параболоцилиндрические отражатели. Это позволяет поднять температуру теплоносителя до 120–250 ºC и выше, если параллельно применяются приборы слежения за источником света.
Воздушные коллекторы
Их главная особенность — нагрев воздушной массы. Обычно это простые плоские панели; теплообменник им не нужен, поскольку воздух не промерзает. Воздух проходит через поглотитель принудительно или естественным путём. Теплопроводность у него ниже, чем у жидких теплоносителей, поэтому вентиляторы, улучшающие теплопередачу и усиливающие завихрения потока, повышают эффективность устройства.
Конструкция несложная, отказоустойчивость высокая, управлять работой просто. При соблюдении правил эксплуатации такие коллекторы работают более 15–20 лет, не требуя ремонта и техобслуживания. Их интегрируют в крыши или стены строений, и нередко они служат основной или дополнительной системой отопления и вентиляции там, где доступ к другим источникам энергии затруднён или невозможен.
