Конструкции солнечных коллекторов

Существует достаточно много конструкций воздушных и жидкостных солнечных коллекторов, различающихся способом монтажа, КПД и стоимостью.

Здесь представлены различные конструктивные решения коллекторов для различных климатических условий и способов монтажа.

Солнечный коллектор с двумя стеклянными покрытиями и медным теплоприемником типа труба в листе:

а — солнечный коллектор; б — разрез солнечного коллектора: стекло не должно содержать железа, пропускательная способность через один слой должна быть более 90%;
1 — поток воды в следующий солнечный коллектор; 2 — поток воды из предыдущего солнечного коллектора; 3 — два стеклянных покрытия; 4 — медный теплоприемник с верхней поверхностью, окрашенной в черный цвет; 5 — паяное соединение; 6 — стропила размером 50Х200 мм с расстоянием между центрами 610 мм; 7 — медные трубы; 8 — алюминиевая накладка, закрывающая заполненный мастикой промежуток между солнечными коллекторами; 9 — медная пластина толщиной 0,5 мм; 10 — стекло толщиной до 5 мм; 11 — стекло толщиной 3,2 мм; 12 — окрашено в черный цвет; 13 — зазор; 14 — пайка; 15 — медная труба диаметром 12,5 мм; 16 — алюминиевая фольга; 17 — крепежные накладки; 18 — изоляция (110 мм); 19 — стропила размером 50Х200 мм с расстоянием между центрами 610 мм; 20 — пространство, вентилирующееся летом для охлаждения потока; 21 — изоляционная плита

Существуют три схемы расположения труб:

• под пластиной;
• над пластиной;
• составляющие одно целое с пластиной.

Конфигурация солнечного коллектора типа труба в листе:

1 — трубы под пластиной; 2 — трубы над пластиной; 3 — трубы, объединенные с пластиной

Остин Уиллер исследовал эффект теплопроводности соединений и сделал вывод, что стальные трубы не уступают медным, если соединение между трубой и пластиной имеет хорошую теплопроводность. Теплопроводность соединений может находиться в пределах от 1,7 кВт/(м*°K) для надежно припаянной трубы, до 5,5 кВт/(м*°K) для плохо закрепленной или ненадежно припаянной трубы.

Штампованные пластины с трубными профилями являются наилучшим вариантом по своим характеристикам, но они требуют оборудования для массового производства, чтобы получить экономический эффект. Система Солярис Гарри Томасона, в которой вода стекает по поверхности волнистого листа из алюминия или оцинкованной стали, не сталкивается со многими проблемами замерзания, которые связаны с солнечными коллекторами трубчатого типа.

Детали солнечного коллектора Солярис Гарри Томасона:

1 — алюминиевый фартук; 2 — полоска из резины или винила; 3 — резиновая или виниловая прокладка; 4 — стекло (один или два слоя); 5 — медная труба диаметром 12,5 мм, отверстия диаметром 0,8 мм; 6 — волнистый алюминиевый лист; 7 — стекловолокнистая изоляция; 8 — кровля; 9 — обрешетка; 10 — стропила; 11 — стекло; 12 — желоб коллектора

Два варианта теплоприемника типа труба в листе. В обоих солнечных коллекторах тыльная сторона теплоприемной пластины изолирована пенополиуретаном.

Прототип дешевого плоского солнечного коллектора:

1 — воздушный промежуток; 2 — каналы для хладагентов; 3 — стеклянное покрытие; 4 — опорные стойки для стеклянного покрытия; 5 — эластомерное уплотнение; 6 — селективное покрытие; 7 — опорный выступ 6,3 мм; 8 — отражающее покрытие (необязательно); 9 — тепловая изоляция

Солнечный коллектор, являющийся сам по себе конструктивным элементом. Он может заменить собой любой элемент типовой крыши, в том числе стропила, утеплитель и кровлю. Теплоприемник состоит из двух сваренных друг с другом листов металла; высокое давление в трубах требует высококачественного сварного шва.

Солнечный коллектор в сборе:

1 — стеклянное покрытие; 2 — теплоприемная поверхность солнечного коллектора; 3 — изоляция

Один из первых промышленно выпускаемых солнечных коллекторов для отопления зданий в США был спроектирован в 1973 г. Эвереттом Барбером (Гилфорд, Коннектикут).

Первые варианты коллекторов Барбера были применены в нескольких домах. Так называемый встроенный модуль был предназначен для установки между стропилами, заменяя собой утеплитель, обрешетку и кровлю.

На смену этой модели пришел наружно монтируемый модуль, который размещается на обычной крыше, обеспечивая жесткость здания и необходимую защиту от проникновения воды.

Солнечный коллектор, устанавливаемый вместо участка крыши; конструкция фирмы Сануоркс корпорейшн:

1 — болт-шайба; 2 — сплошная накладка стропильной балки; 3 — неопреновая прокладка; 4 — стекло; 5 — уплотнение; 6 — желоб; 7 — селективное покрытие; 8 — труба; 9, 10 — изоляция; 11 — стропило; 12 — штампованный металлический кожух; 13 — пароизоляция

Детали: модуль, смонтированный вместо участка крыши; конструкция фирмы Сануоркс корпорейшн:

1 — слой изоляции; 2 — к горизонтальной трубе; 3 — обратная труба; 4 — селективное покрытие; 5 — труба; 6 — стропило; 7 — питающая труба

Барбер считает, что проверенные и испытанные материалы дают наилучшие долговременные результаты и, следовательно, лучшую долговременную окупаемость.

Трубы для теплоносителя и пластина теплоприемника, к которой они припаяны, полностью выполнены из меди. Этот вариант обеспечивает долгий срок службы по сравнению с любым другим материалом, имеющимся в настоящее время для теплоприемника такого типа.

На медный лист наносится селективный слой, а поверх устанавливается стеклянное покрытие. Все устройство помещается в контейнер из листового металла.

Независимые испытания, проведенные НАСА и другими организациями, показывают, что этот коллектор имеет очень хорошие рабочие характеристики в широком диапазоне температур.

Фирма ППДжи индастриз выпустила дешевый солнечный коллектор, правда,  не очень высокого качества. В этой конструкции для пластины теплоприемника был применен алюминий.

Прототип солнечного коллектора фирмы ППДжи индастриз:

1 — закаленное стекло Геркулит 3,2 мм; 2 — алюминиевый теплоприемник; 3 — изоляция; 4 — трубы, наружный диаметр 12,7 мм; 5 — два слоя закаленного стекла Геркулит толщиной 3,2 мм; 6 — воздушный промежуток; 7 — панель теплоприемника толщиной 1,5 мм из алюминия типа 1100 (типичная конструкция устройств с двойным промежутком)

Прототип солнечного коллектора фирмы ППДжи индастриз с необязательным тыльным защитным кожухом:

1 — изолента; 2 — закаленное стекло Геркулит толщиной 3,2 мм; 3 — воздушный промежуток 9,5 мм; 4 — алюминиевый теплоприемник; 5 — стекловолокнистая изоляция; 6 — оцинкованный кожух, предохраняющий изоляцию

Панель ППДжи индастриз имеет очевидные преимущества. Вместо труб, прикрепленных к листу, алюминиевый теплоприемник имеет уже отформованные в нем трубы (технология Ролл-Бонд). Поверхность теплоприемника покрыта черной матовой краской, а не селективным слоем, имеет два покрытия из закаленного изолирующего стекла Геркулит К фирмы ППДжи индастриз.

Эти узлы выпускаются в разных вариантах: с изоляцией или кожухом с тыльной стороны теплоприемника или же без них. Сейчас в основном производстве фирма ППДжи индастриз все же переключилась на выпуск медных теплоприемников.

Отличительной чертой солнечного коллектора, разработанного фирмой Сан-Эрс, инк. является то, что, горизонтальная труба встроена в коллектор.

Конструкция солнечного коллектора фирмы Сан-Эрс Констракшн Ко.:

1 — наружное стекло; 2 — неопреновая прокладка для остекления; 3 — внутреннее стекло; 4 — теплостойкая лента для остекления; 5 — пластина с циркулирующим теплоносителем; 6 — распределительная труба; 7 — гибкий шланг; 8 — хомут шланга; 9 — уплотняющая прокладка и сиккатив; 10 — жесткая стекловолокнистая изоляция; 11 — пароизоляционная подкладка; 12 — слой герметика; 13 — штампованная алюминиевая рама; 14 — опорная конструкция (из дерева или другого материала)

Солнечный коллектор Соларсан был разработан Уильямом Эдмондсоном, редактором ежемесячного информационного бюллетеня по солнечной энергии Солар энерджи дайджест.

Хотя коллектор был задуман как солнечный водонагреватель, его легко можно приспособить к системе отопления здания. Действительно, поскольку им предполагалось заменить часть крыши, разумнее построить этот солнечный коллектор размером во всю крышу, используя его как для отопления, так и для приготовления горячей воды.

Так как стоимость нескольких компонентов можно сравнить с крышей, реальная стоимость материалов коллектора может быть сравнительно невелика.

Солнечный водонагреватель Соларсан Уильяма Эдмундсона:

1 — алюминиевые кровельные гвозди; 2 — стекловолокнистая панель Тедлар или эквивалентный материал; 3 — рейка для забивки гвоздей; 4 — скобы; 5 — фильтрующий материал (необязательно); 6 — медные трубы; 7 — зеркальная мягкая алюминиевая фольга толщиной 0,08 мм или более; 8 — стекловолокно типа 703 или 704; 9 — фольга или специальная бумага; 10 — деревянный настил крыши