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
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.
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.