История создания и развития солнечного коллектора

Как появились солнечные коллекторы

История солнечного коллектора — это история постепенного превращения простого наблюдения за нагревом предметов на солнце в полноценную инженерную технологию. Современные установки поглощают солнечное излучение, преобразуют его в тепловую энергию и передают тепло воде или другому теплоносителю.

Солнечные тепловые системы применяют для приготовления горячей воды, поддержки отопления, подогрева бассейнов и получения тепла для отдельных технологических процессов. Их не следует путать с фотоэлектрическими модулями, основная задача которых — выработка электрической энергии.

Первые опыты с солнечным теплом

Способность тёмных поверхностей интенсивнее поглощать солнечное излучение была известна задолго до появления промышленного оборудования. Однако сама по себе окрашенная поверхность ещё не является солнечным коллектором. Для получения полезной тепловой энергии необходимо снизить теплопотери, обеспечить передачу тепла рабочей среде и, при необходимости, сохранить нагретую воду.

Опыт Ораса Бенедикта де Соссюра

В 1767 году женевский естествоиспытатель Орас Бенедикт де Соссюр создал так называемый «горячий ящик». Конструкция представляла собой теплоизолированный корпус с тёмной внутренней поверхностью и несколькими слоями стекла.

Стекло пропускало солнечное излучение внутрь, а теплоизоляция и закрытый объём уменьшали теплопотери. Этот опыт продемонстрировал базовые принципы, которые позднее были использованы при разработке солнечных печей и плоских тепловых коллекторов.

В 1830-х годах британский астроном Джон Гершель применял солнечную печь во время работы в Южной Африке. Это стало одним из ранних примеров практического использования солнечного тепла в полевых условиях.

Ключевые этапы развития технологии

• 1767 год

  Орас Бенедикт де Соссюр создаёт теплоизолированный «горячий ящик» со стеклянным покрытием.

• 1830-е годы

  Джон Гершель использует солнечную печь во время экспедиции в Южную Африку.

• 1891 год

  Кларенс Кемп патентует коммерческий солнечный водонагреватель Climax.

• 1909–1910 годы

  Уильям Дж. Бейли разделяет солнечный коллектор и теплоизолированный накопительный бак.

• 1920–1940-е годы

  Солнечные водонагреватели распространяются в Калифорнии, Флориде и других регионах с высокой инсоляцией.

• После 1940-х годов

  Дешёвые газовые и электрические водонагреватели снижают коммерческий спрос на солнечные установки в США.

• 1970–1980-е годы

  Энергетические кризисы и государственные программы возвращают интерес к солнечному нагреву воды.

• XXI век

  Развиваются селективные покрытия, вакуумные трубки, автоматическое управление и крупные солнечные тепловые установки.

Первые бытовые солнечные водонагреватели

К концу XIX века солнечный нагрев воды стал использоваться не только в опытах, но и в быту. В солнечных регионах США на крышах размещали окрашенные в чёрный цвет металлические баки. Такие устройства были простыми, однако нагревали сразу весь объём воды и быстро теряли тепло после захода солнца.

В 1891 году изобретатель Кларенс Кемп запатентовал систему Climax. Бак был помещён в теплоизолированный короб со стеклянной крышкой. Устройство быстрее нагревало воду и лучше сохраняло тепло, поэтому считается одним из первых коммерчески успешных солнечных водонагревателей.

Система Уильяма Бейли

Следующим важным этапом стала разработка Уильяма Дж. Бейли. В его системе солнечный коллектор и накопительный бак были разделены. Вода нагревалась в медных трубках, расположенных в остеклённом корпусе, после чего поступала в теплоизолированный накопитель.

Такое решение уменьшало ночные теплопотери и позволяло пользоваться горячей водой не только в период активного солнечного излучения. По общей схеме оно близко к современным термосифонным установкам, где циркуляция возникает за счёт разницы плотности нагретой и более холодной жидкости.

Почему рынок солнечных водонагревателей сократился

В первой половине XX века солнечные водонагреватели получили распространение в южных штатах США. Однако развитие газовой инфраструктуры, снижение стоимости электрического нагрева и массовое продвижение обычных водонагревателей сделали солнечные системы менее привлекательными для покупателей.

На состояние отрасли также повлияли экономические и производственные ограничения периода Второй мировой войны. В результате к середине XX века рынок солнечного нагрева воды в США существенно сократился, хотя технология продолжила развиваться в других странах.

Распространение солнечных водонагревателей

Израиль стал одним из наиболее известных примеров массового применения солнечного нагрева воды. Высокий уровень солнечной радиации и необходимость снижать потребление импортируемых энергоресурсов способствовали развитию местного производства.

В начале 1980-х годов в строительные нормы были включены требования по установке солнечных водонагревателей в новых жилых зданиях с учётом этажности, доступной площади кровли и технических ограничений. Это ускорило распространение оборудования и сформировало устойчивый внутренний рынок.

Опыт Израиля показал, что развитие солнечной тепловой энергетики зависит не только от климата, но и от строительных требований, стоимости традиционных энергоносителей, доступности оборудования и государственной энергетической политики.

Нефтяной кризис и возвращение интереса к технологии

Рост цен на нефть и другие энергоносители в 1970-х годах изменил отношение к альтернативным источникам тепла. В разных странах начали разрабатывать программы поддержки солнечной энергетики, совершенствовать расчёт гелиосистем и улучшать конструкцию коллекторов.

В этот период получили дальнейшее развитие плоские коллекторы, системы с естественной и принудительной циркуляцией, теплоизолированные накопители и комбинированные решения для горячего водоснабжения и поддержки отопления.

Как устроены современные солнечные коллекторы

Базовая физическая схема осталась прежней: солнечное излучение поглощается рабочей поверхностью, преобразуется в тепло и передаётся теплоносителю. При этом современные материалы и системы управления позволяют уменьшать потери и точнее контролировать работу оборудования.

• Поглощение излучения Абсорбер или поверхность вакуумной трубки принимает солнечную энергию.
• Преобразование в тепло Поглощённое излучение нагревает рабочую поверхность коллектора.
• Передача теплоносителю Тепло передаётся воде или незамерзающей жидкости, циркулирующей по контуру.
• Накопление энергии Нагретая вода или тепло сохраняются в теплоизолированном баке-аккумуляторе.

Основные направления совершенствования

В современных солнечных тепловых системах применяют селективные поглощающие покрытия, теплоизоляционные материалы, закалённое низкожелезистое стекло, вакуумные трубки, теплообменники, контроллеры, температурные датчики и насосные группы.

Конкретный состав системы зависит от её назначения, климатических условий, требуемой температуры, режима эксплуатации и принятой схемы горячего водоснабжения или отопления.

Как изменилась конструкция солнечного водонагревателя

Солнечная тепловая энергетика в мире

Современные солнечные тепловые установки работают как в небольших бытовых системах, так и в крупных объектах централизованного теплоснабжения, коммерческих зданиях и промышленных процессах. Используются плоские, вакуумные, неостеклённые, воздушные и гибридные фотоэлектрические-тепловые коллекторы.

Эффективность конкретной системы зависит от уровня инсоляции, ориентации и угла установки коллектора, температуры наружного воздуха, теплопотерь, параметров накопителя и режима потребления горячей воды.

Что осталось неизменным

За два с половиной столетия солнечный коллектор прошёл путь от теплоизолированного ящика со стеклянной крышкой до автоматизированной инженерной системы. При этом его основная задача не изменилась — принять солнечное излучение, преобразовать его в тепло и передать полученную энергию потребителю.

Развитие селективных покрытий, вакуумной теплоизоляции, накопительных баков, теплообменников и средств управления расширило область применения технологии. Сегодня солнечные коллекторы используют для горячего водоснабжения, поддержки отопления, нагрева бассейнов и получения технологического тепла.

Материалы по теме

Часто задаваемые вопросы