Основная масса выпускаемых в мире плоских солнеч­ных коллекторов производится из цветных металлов; в качестве прозрачного покрытия используется стекло — тя­желый и хрупкий материал. Использование ударопрочных стекол значительно удорожает производство солнечных коллекторов. Поэтому системы с такими коллекторами до­статочно дороги. Основной идеей исследования является изучение возможности применения в конструкции солнеч­ных коллекторов полимерных материалов [25, 26]. Этот вопрос давно изучается рядом мировых исследовательских центров и фирм-производителей [26, 27].

Первым шагом по созданию нового коллектора явилась разработка металлополимерного солнечного коллектора, в котором в качестве абсорбера был использован традицион­ный регистр медных труб, а вместо стекла в качестве про­зрачного покрытия — плита сотового поликарбоната. Сле­дующим шагом было создание полностью полимерного солнечного коллектора. В нем использована плита сотово­го поликарбоната: в качестве прозрачного покрытия — тол­щиной 4 мм, в качестве абсорбера — толщиной 8 мм.

Был проведен анализ полимерных материалов, которые могут быть использованы в конструкции солнечных кол­лекторов. Самым перспективным материалом является по­ликарбонат, как и свидетельствуют авторы работ [26, 27].

Плита сотового поликарбоната представляет собой два параллельных листа с поперечными перегородками в цель­ной единой структуре. Температурный диапазон эксплуа­тации для поликарбоната от -40 °С до +120 °С, что позволяет использовать его в наружных конструкциях. Максималь­ное термическое расширение (при АТ = 80 °С) составляет 0,25 мм/м. Светопропускающая способность полимерных материалов имеет большое значение при их выборе для ис­пользования в качестве прозрачного покрытия солнечных коллекторов. Панели из поликарбоната имеют светопро­пускание 70-82 % в зависимости от их толщины. Панели толщиной 4 мм с наибольшим светопропусканием были выбраны в качестве прозрачного покрытия.

При длительном воздействии солнечного излучения важное значение имеет устойчивость материала к уль­трафиолетовому излучению. Современные панели из по­ликарбоната производятся со специальным покрытием, предотвращающим попадание ультрафиолетового излуче­ния внутрь панели. Ультрафиолетовые лучи ( < 390 нм), являющиеся наиболее разрушительными, практически не проходят через панель. Пропускание лучей в крайней ча­сти инфракрасной зоны спектра ( > 5000 нм) минимально, вследствие чего тепло, излучаемое абсорбером, остается внутри солнечного коллектора («эффект теплицы»).

Поликарбонат устойчив ко многим химическим веще­ствам, включая минеральные кислоты высокой концен­трации, многим органическим кислотам, нейтральным и кислым растворам солей, многим жирам, парафинам, на­сыщенным алифатам и циклоалифатам, кроме метилового спирта. Поликарбонат разрушается водным или спирто­вым раствором щелочей, аммиаком или его растворами и аминами. Степень чувствительности к воздействию хими­калий зависит от таких факторов, как концентрация, тем­пература, продолжительность контакта с поверхностью панели, давление, а также напряжений в панели.

Сотовые панели из поликарбоната отличаются высо­кими механическими характеристиками, такими как твердость и стойкость к ударным воздействиям при дли­тельном применении на открытом воздухе. Панели из по­ликарбоната прошли несколько международных тестов: в США — ASTM Е822 — 87, в Швейцарии — успешный тест ЕМРА согласно SIA Norm 280 (1977). Испытания по мето­ду Гарднера — методу определения стойкости к ударам па­дающих предметов (Gardner Falling Dart Impact Test) — по­казали, что сотовые поликарбонатные панели обладают высокой степенью поглощения энергии по сравнению с другими материалами. Это свойство гарантирует высокую стойкость к воздействию града и падающих предметов. На­ружная поверхность панели покрыта слоем, защищающим от ультрафиолетового излучения. Этот слой поглощает ультрафиолетовую часть солнечного спектра и обеспечи­вает постоянство механических и оптических свойств в течение многих лет. Испытания на открытом воздухе, про­водившиеся в течение семи лет в США в штатах Аризона и Флорида, а также в Германии и Израиле, показали вы­сокую ударную стойкость и сохранность исходных оптиче­ских свойств.

По сравнению с другими остеклениями той же толщи­ны тепловые потери через сотовые панели из поликарбона­та значительно ниже, тепловая изоляция намного лучше, что определяет экономию топлива и энергии.

На рис. 1.6 представлена схема вариантов традицион­ного плоского солнечного коллектора [27].

К числу принципиальных преимуществ таких коллек­торов по сравнению с коллекторами других типов относит­ся их способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и, как следствие этого, возможность стационарной установки солнечного коллек­тора без необходимости в сложных системах слежения за солнцем. Абсорбер 1 плоского солнечного коллектора, как правило, изготавливается из материала с высокой тепло­проводностью, из металлов (стали, алюминия, меди). Для

а — традиционный солнечный коллектор с металлическим абсорбером (те­плоприемником); б — полимерный солнечный коллектор; в — металлопо­лимерный солнечный коллектор; 1 — плита абсорбера; 2 — первое прозрач­ное покрытие поглощающей панели (от абсорбера); 3 — второе прозрачное покрытие поглощающей панели; 8п, 8а — толщиы прозрачного покрытия и плиты абсорбера, 8Ь2 и 62.3 — толщины воздушных зазоров, 62, 63 — толщина листов прозрачного покрытия поглощающей панели; 8и — толщина теплои­золяции; «+»и«-»- верхняя и нижняя стороны элемента панели низких рабочих температур его можно также изготовить из пластмассы или резины. Прозрачная изоляция 2 пред­ставляет собой один или два слоя стекла или полимерной пленки. В случае низкой температуры нагрева теплоноси-
теля (до ЗО °С) коллектор может вовсе не иметь прозрач­ной изоляции. Корпус солнечного коллектора может быть изготовлен из оцинкованного железа, алюминия, дерева, пластика. В качестве тепловой изоляции могут применять­ся различные материалы: минеральная вата, пенополиу­ретан и т. п. Низкотемпературные проточные коллекторы имеют поверхностный поглотитель и конструктивно мо­гут выполняться как с открытым потоком теплоносителя, так и с панелью или трубами, внутри которых движется теплоноситель.

Величина удельного теплового потока q’, падающего на 1 м2 наклонной поверхности солнечного коллектора за 1 ч, определяется по формуле [27]:

где Is и ID — интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации.

Особую группу составляют гелиоустановки гравитаци­онного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами [3].