Повітряні сонячні колектори

Системи збору сонячного тепла з використанням в якості теплоносія повітря прийнятні для опалення приміщень всіх типів, особливо в тих випадках, коли не передбачається або в незначній мірі використовується охолодження або підігрів води для побутових потреб.
Повітряні сонячні установки виглядають привабливіше рідинних, так як вимагають менше трубопроводів і деталей і тому менш дороги. Причиною складнощів з рідинними сонячними установками є:
проблеми можливого замерзання рідини в сонячному колекторі;
необхідність враховувати розширення рідини при її нагріванні в системі, включаючи можливість миттєвого переходу рідини в газоподібний стан;
можливість протікання системи;
корозія металевих водопровідних труб.
Порівняльна простота повітряних сонячних установок приваблива для людей, бажаючих побудувати свою власну систему, але, як з усіма системами збору, зберігання і використання сонячної енергії, їх точний розрахунок важкий, тому всі сонячні установки, за винятком найпростіших, повинні проектуватися людиною, досвідченим в питаннях механіки і теплообміну. Тим не менш, повітряні сонячні колектори порівняно легко утримувати і ремонтувати. Вентилятори, приводи демпферів та органи управління можуть відмовити, однак великі вузли, у тому числі сонячний колектор, теплоакумулятор і повітроводи повинні мати тривалий термін служби.
Виготовлення повітряних сонячних колекторів та пов'язаних з ними вузлів і систем порівняно просто, якщо зіставити зі слюсарно-водопровідними роботами і спробами знайти пластину теплоприемника, придатну для рідинних сонячних установок. За винятком конструкції д-ра Гаррі Томасона, в якій вода стікає по хвилястому металевого листа, в більшості конструкцій теплоприемника труби кріпляться до них або складають з ними одне ціле, причому звертатися з цими вузлами непросто навіть для кваліфікованих робітників. Легше утримувати теплоприемник в системі повітряного сонячного колектора; оскільки вони не з'єднані з водопровідною системою, яка повинна бути герметичною, і оскільки вони не вимагають суворого обліку розширення і стиснення, немає потреби виготовляти їх з великою точністю.
По суті справи, для сонячних колекторів типу повітряного теплоприемник необов'язково повинен бути металевим. Так як у багатьох типах сонячних колекторів повітря стикається з поверхнею будь-якого матеріалу, що нагрівається сонцем, тепло необов'язково має передаватися від однієї ділянки поверхні теплоприймача до іншого, як у випадку рідинних сонячних колекторів. Майже будь-яка зачерненная поверхня, яка нагрівається сонцем, буде передавати тепло повітрю, обтекающему її. Такий механізм теплообміну відкриває безліч варіантів вибору поглиначів.
Р. Блаженство і М. Донован використовували чорний чотиришаровий бавовняний екран для виготовлення теплоприемников, а д-р Дж. Леф застосував зачерненные скляні пластини в своєму будинку в Колорадо (рис. 1); скляні пластини (0, 45 м) на дві третини перекривають один одного. Кожна пластина складається з двох частин: чорної і прозорою. Чорне покриття отримують шляхом нанесення чорного стеклошлака на звичайне віконне скло і витримування його у отжиговой печі. Пластини закриваються зверху двома шарами скла. Чотири секції за 1,2 м розташовуються в ряд з нахилом 60° від горизонталі. Спочатку з-за неправильного способу закріплення країв скло розтріскувалося при розширенні і стисненні. Спосіб закріплення був змінений і скло не розбивалося. Якщо кромки скла не захищені, пластина буде тріскатися і, в кінцевому рахунку, розколюватися.
Зрозуміло, можна застосовувати для теплоприемника і металеві пластини. Зрозуміло, що не тільки метал є довговічним і ефективним, але він переважно для тих випадків, коли сонячна радіація надходить не на всю поверхню теплоприемника, що стикається з рухомим повітрям. Метал також сприяє усуненню «гарячих місць», викликані нерівномірним потоком повітря над поверхнею, розподіляючи надмірне скупчення тепла на інші поверхні, а від них до повітрю. У своїх дослідженнях Дж. Д. Клоуз определил относительные преимущества размещения воздуховодов по отношению к светонепроницаемым металлическим пластинам теплоприемников. Три основных конфигурации показаны на рис. 2:
тип I, в котором воздуховод помещен между пластиковым покрытием и поверхностью теплоприемника;
тип II, в котором дополнительный воздуховод располагается позади пластины теплоприемника;
тип III, в котором отсутствует верхний воздуховод, а используется только воздуховод, расположенный за пластиной теплоприемника.
Серьезными проблемами при создании воздушного солнечного коллектора являются:
низька питома теплоємність повітря;
мала щільність.
Зважаючи низької теплоємності повітря з'являється необхідність створювати габаритні робочі об'єми, де він може циркулювати, навіть в самому сонячному колекторі. Повітряні проміжки в сонячних колекторах (наприклад, між пластиною і теплоприемника прозорим покриттям) складають 40...150 мм. Взагалі, чим більше розмір воздуховода, тим менше перепад тиску (опір руху повітря), але тим гірше теплопередача від теплоприемника до повітрю.