Основни карактиристики на сончевите колектори

Сончевата енергија која доспева на земјата претставува електромагнетно зрачење кое може да се претвори во други форми на енергија: топлинска, хемиска, механичка, електрична. За сега, најуспешно е нејзиното претворање во топлинска енергија. При тоа, можат да се постигнат температури и до 3500 ⁰С. Меѓутоа, за секојдневната употреба и во многу индустриски процеси, најголема примена наоѓаат уредите кои работат на температури под 100⁰С.

Претворувањето на сончева енергија во топлина е едноставен физички процес: зрачењето директно се апсорбира во разни материјали, при што апсорбираната енергија во најголем дел се претвора во кинетичка енергија на електроните и во вибрации на атомите на материјалот од кој е направен апсорберот.  Тоа се манифестира како негово загревање. Уредите во кои се одвива овој процес се нарекуваат приемници или колектори  на сончева енергија. Според конструкцијата и принципот на работа се разликуваат два основни видови на колектори: рамни колектори и концентратори на сончевото зрачење. И двата вида имаат повеќе различни конструктивни решенија.

Кога сончевото зрачење ќе падне на некој апсорбер, еден дел ќе се апсорбира а друг ќе се рефлектира како што е прикажано на слика 1:

Слика 1. Апсорбција и рефлексија на сончево зрачење: 1) сончево зрачење, 2) апсорбирано зрачење, 3) рефлектирано зрачење, 4) апсорбер

Како што е познато, сончевиот спектар се наоѓа претежно во видлива област, со бранови должини помали од еден микрометар. Колекторите на сончева енергија работат на температури помали од 200 ⁰С што значи дека спектарот на нивното зрачење е во инфарцрвена област и не се совпаѓа со сончевото.  Врз тоа се базира идејата за изработка на апсорбери чија површина има селективни својства во поглед на апсорпцијата и емисијата. Имено, со погодна постапка може да се формира површина која во областите на сончевиот спектар има висок (а > 0,90), а во инфрацрвената област има низок коефициент на апсорпција. На тој начин може да се подобри ефикасноста на колекторот и до 30%. Спектрална селективност може да се постигне со различни технолошки постапки. Тука се наведени неколку:

1. Структурни апсорбери

Структурни апсорбери се образуваат со правилна обработка на површината на металот во облик на V – вдлабнатини чии димензии се помали од брановата должина на упадното зрачење. Едноставен начин за формирање на вакви апсорбери е обработка на поларни алуминиумски или бакарни лимови со помош на погодни абразивни средства. Сличен ефект може да се постигне со хемиско нагризување на површината на металот. Структурно селективни апсорбери ретко се користат самостојно, најчесто служат како основа врз која се нанесува некоја друга спектрално селективна преслека.

2. Селективни бои

Спектрално селективни бои се состојат од органски врзивен материјал (смоли) и спектрално селективни пигменти. Недостатоци на ваквите бои се нивната мала механичка оторност, нестабилност на атмосферски влијанија и апсорпцијата на инфрацрвеното зрачење од страна на врзивниот материјал. Предности се едноставно производство и можност за нанесување на големи површини.

3. Оксиди на метал

Во оваа група спаѓаат црни окиди на метали кои добро го апсорбираат сончевото зрачење и имаат мал коефициент на емисија. Црни оксиди со добри селективни својства можат да се добијат со термичка оксидација на металот, хемиско нагризување на површината, електрохемиска обработка на површината на металот и т.н.

4. Електрохемиски преслеки

Тука спаѓаат преслеки кои по електрохемиски пат се нанесуваат на метална основа. Галвански нанесени преслеки од црн никел, хром и бакар спаѓаат во групата на најстабилни и најширококористени спектрално селективни наноси за топлинска конверзија на сончевото зрачење. Коефициентот на апсорпција им е а=0,85-0,95, а коефициентот на емисија ѕ=0,01-0,1.

Видови и конструкции на рамни сончеви колектори

Према конструкцијата и начинот на функционирање се разликуваат рамни и фокусирачки сончеви колектори. Рамните сончеви колектори го собираат глобалното (директно и дифузно) сончево зрачење и го трансформираат во топлина до температура од 100⁰С, додека фокусирачките, со помош на оптички систем, го концентрираат само директното сончево зрачење. Кај нив можат да се постигнат температури и до 300 ⁰С.

Основни карактеристики, видови и конструкции на рамни сончеви колектори

Трансформацијата на сончевото зрачење во топлинска енергија (загреана течност или воздух) без концентрација на сончевото зрачење, се врши со рамни сончеви колектори. Рамните сончеви колектори се едноставни неподвижни уреди со помош на кои глобалното сончево зрачење може да се апсорбира и претвори во топлина. Течности кои се користат како флуиди за трансфер на енергијата, кај рамните сончеви колектори најмногу се користат: вода, смеса со антифризи или слични јаглероводородни и силиконски термички масла.

Сончеви колектори со течност

Кај овие колектори како работен флуид се користи вода или течност со антифриз како додаток против мрзнење. Основни составни делови се прикажани на сликата 2.

Куќиште

Куќиштето кај рамните колектори се изработува од елоксиран алуминиум, поретко од поцинкован челичен лим или пластични материјали. Служи да ги штити внатрешните делови на колекторот од механички оштетувања и атмосферски влијанија.

Слика 2. Составни делови на рамен сончев колектор: 1 – приклучок за влез на течноста; 2 – приклучок за излез на течноста; 3 – тело; 4 – рамна покривка; 5 – цевки за течност; 6 – апсорпциона плоча; 7 – изолација;

Провидна покривка

После апсорберот, претставува најважен дел на колекторот. Треба да има што поголем коефициент на трансмисија т.е. способност да го пропушта најголемиот дел на сончевото зрачење а во исто време, да ги спречи загубите заради топлинско зрачење на апсорберот. Треба да штити од атмосферски врнежи и влага т.е. да има потребна механичка, топлинска и хемиска отпорност. Најпогоден материјал е стаклото кое најмногу и се користи за таа намена. Спектралната распределба на пропустливоста на стаклото покажува дека тоа е пропусно за зрачења во области на бранови должини (0,3-3 μm). Благодарение на тоа, стаклото добро го пропушта сончевото зрачење (коефициент на трансмисија t < 0,85) и не дозволува топлинското зрачење да оди надвор од колекторот. Освен стаклото се користат и некои видови на полиетилени.

Одредувањето на број и дебелина на покривачот и потребните растојанија се врши врз база на детални термодинамички пресметки. Најзастапени се изведби со еден или два покривачи. Ако покривачот е стакло, тогаш неговата дебелина е 3 -4 mm а ако е пластичен материјал 0,6 – 1,5 mm.

Апсорбер

Апсорберот претставува најважен дел од колекторот. На него се врши топлинската конверзија на сончевото зрачење. Заради што подобра апсорпција истите треба да бидат спектрално селективни т.е. да имаат (а > 0,9), (ѕ < 0,2). Затоа на горната површина на апсорберот се нанесува селективен слој од на пример: галванизиран црн никел, црн хром, бакарен оксид или анодизиран алуминиум. Се изработуваат од бакар и алуминиум, а поретко од челик или пластични материјали. Апсорберот треба да има добра топлинска проводливост и да е во добар контакт со флуидот заради ефикасно пренесување на топлината. Мора да биде отпорен на корозија и механички напрегања, временски постојан, погоден за автоматизирано масовно производство и релативно ефтин. За жал, ниеден материјал кој денес се користи не ги задоволува сите овие барања, но повеќе апсорбери даваат задоволителни резултати.

Конструктивно, најтешка задача е да се реши ефикасно пренесување на апсорбираната топлина на работниот флуид. Постојат различни облици на технолошки постапки за изработка на системот на цевки и нивно спојување со апсорпционата плоча. Цевките за течност можат да бидат поставени паралелно или во облик на цевна змија.

Изолација

Термоизолацијата на колекторот се врши со помош на предниот покривач (со формирање на возвушен слој) и изолација на бочните и задната страна. Внатрешната изолација мора да е механички и хемиски стабилна, не смее да се топи или испарува во услови на работа на колекторот. Како материјал најчесто се користи стаклена волна или термоизолациони пени (полиуретан или полистирен) или комбинација на слој од стаклена волна и слој на полиуретан што покажува најдобри резултати.

Работен флуид

Апсорбираната топлина, од апсорбетор до потошувачите, се одведува со помош на работен флуид. Изборот на видот на флуидот е многу значаен бидејќи од него зависи и векот на траење на колекторот. Треба да биде со добра топлинска спроводливост, отпорен на температура, нетоксичен, незапалив, некорозивен и т.н. може да се подели во две основни групи: со вода и без вода. Типични претставници на работни флуиди без вода се силиконските и јаглероводородните масла. Силиконските флуиди имаат повеќе поволни карактеристики: не мрзнат, не вршат корозија на металите, имаат добра термичка стабилност, не се токсични и имаат висока отпорност на палење. Единствен недостаток им е цената (4 – 7 €/l). Најефтин, многу често применуван и термички ефикасен флуид е водата. Нејзините два основни недостатоци се мрзнење и предизвикување на корозија. Ако постои опасност од мрзнење, наесто вода се применуваат различни видови на антифрифи.

Рамните колектори со течност како работен флуид најчесто се користат за агревање на санитарна вода а понекогаш и за централно греење.

За добивање на повисоки температури се користат рамни колектори со вакумирани цевки кои служат како апсорбер. Вакумираните апсорпциони цевки се сосотојат од две транспарентни стаклени  цевки со вакумиран простор меѓу нив. Внатрешната цевка е покриена со селективна преслека а во нејзината внатрешност се сместени цевките за транспорт на течноста. Заради постоење на вакум меѓу двете стаклени цевки, се елиминираат загубите на топлина со кондукција и конвекција. Овие колектори се поефикасни во споредба со колекторите со рамна апсорпциона плоча.