Використання сонячної енергії починається з теплових колекторів. Сонячними тепловими колекторами називають пристрої, в яких відбувається перетворення світла в тепло за допомогою спеціальних елементів – поглиначів випромінювання.
Такі колектори не здатні безпосередньо виробляти електроенергію, як напівпровідникові сонячні батареї. Вони призначені лише для нагрівання рідини – теплоносія і з успіхом використовуються в системах приготування гарячої води, опалення житла. Також вони використовуються і в сонячних електростанціях як основні елементи.
Види сонячних теплових колекторів
Колектори сонячні поділяються на два види:
- плоскі;
- вакуумні.
1. Плоский сонячний колектор
Плоский колектор представляє собою звичайний приймач сонячного тепла, що складається з плоского резервуара-поглинача випромінювання, надійно упакованого в теплоізольований корпус з прозорою поверхнею. Прозора сторона плоского колектора повинна бути звернена до сонця, перпендикулярно напрямку ходу світлових променів до його поверхні, і чим перпендикулярніше, тим ефективніше працює колектор, вище його ККД.
Велику роль в якості плоского колектора грає покриття теплопоглинача. Чим ближче воно за кольором до абсолютно чорного тіла, тим інтенсивніше поглинання і перетворення сонячного випромінювання в тепло, менше відображення. Технологія виробництва цих покриттів постійно вдосконалюється, пройшовши шлях промислової еволюції від звичайних чорних барвників до селективного покриття – чорного нікелю. Також важливий прозорий екран сонячної сторони. Надійніше його виготовляти або з міцного загартованого скла, або полікарбонату.
Резервуар плоского колектора пов’язаний трубчастими підводами теплоносія з системою опалення, циркуляція рідини в якій забезпечується насосом.
Як корпус теплопоглинача, так і тепловідвідні трубки повинні бути надійно захищені від втрат тепла. Для цієї мети можна з успіхом використовувати різні теплоізоляційні матеріали, що випускаються сучасною промисловістю.
2. Вакуумний сонячний колектор
Вакуумні сонячні колектори – це вид колекторів, які представляють собою більш складний технічний пристрій з високим ККД. Основними елементами колектора є теплові трубки, по конструкції схожі з побутовим термосом. Відмінність лише в тому, що зовнішня сторона кожної колби – трубки прозора, а на внутрішню її поверхню нанесено світлопоглинаюче покриття.
У просторі між зовнішньою і внутрішньою поверхнями створюється неглибокий вакуум, який і охороняє весь колектор від зворотних втрат тепла за рахунок конвекції. Така конструкція теплоприемника дозволяє знизити втрати при перетворенні енергії до 5%. Це дуже важливо для тих випадків, коли теплова система працює в умовах недостатнього освітлення або низької температури навколишнього повітря.
Сонячні системи теплопостачання
Використовуючи окремі колектори, збирається теплової блок необхідної потужності. При збільшенні площі покриття можливий практично нескінченне зростання продуктивності таких сонячних батарей.
Нагрітий теплоносій з колекторів закачується в бак – гідроакумулятор, з якого проводиться забір гарячої води споживачами. При короткому опалювальному контурі можлива природна циркуляція води в магістралі, що додатково підвищує загальний ККД системи. У більш складних системах циркуляційні потоки створює насос.
Традиційне сонячне теплопостачання реалізується в двох варіантах систем:
• Одноконтурні системи, в яких вода безпосередньо з колекторів надходить в теплову магістраль;
• Двоконтурні системи, де в контурі колекторів циркулює теплоносій, який чи в теплообміннику енергію водяного контуру.
Двоконтурні системи сонячного теплопостачання хороші тим, що в умовах низьких температур розташований поза будівлею перший контур з колекторами може бути заповнений незамерзаючої рідиною. В цьому випадку нічні холоду системі не страшні.
Перетворення енергії сонця в електроенергію.
Використовуючи сонячні колектори і параболічні системи дзеркал великої площі, можна виробляти нагрів теплоносія до високої температури. Коли ця температура значно перевищує температуру кипіння води, виникають умови для роботи парової турбіни. Так працюють деякі сонячні теплові електростанції. Водяна пара під тиском виривається з котла і, потрапляючи в сопло турбіни, обертає ротор електрогенератора.
Дещо по-іншому влаштовані сонячні панелі. За рахунок внутрішнього фотоефекту в них випромінювання сонця безпосередньо перетворюється в електроенергію.
При наявності акумуляторів великої накопичувальної здатності електроенергія може використовуватися не тільки в денний час, а й вночі. Встановлювати такі батареї можна всюди, куди безперешкодно проникає світло, але для середніх широт в північній півкулі найкращим місцем є південна дах будинку.
Ще одним видом є сонячна теплова електростанція, яка використовує в своїй конструкції двигун Стірлінга. Від двигунів внутрішнього згоряння цей двигун відрізняється простотою конструкції і всеядністю по відношенню до джерел тепла. Економічний, екологічний і довговічний, він має високий ККД і цілком підходить для схем, які використовують перетворення енергії сонця в механічну енергію, а потім вже і в електрику.
Джерелом тепла для двигуна Стірлінга в сонячної електростанції може бути як гарячий рідкий теплоносій, так і розігрітий в колекторах повітря. Двигун не має вихлопу, безшумний і потужний, як у генераторах з обертовими елементами, так і зі зворотно-поступальним рухом магнітів.
