Принцип действия такого устройства весьма прост.
Видимые лучи солнца, проникая сквозь стекло (проходит обычно 80–85 %), встречаются с черным дном коллектора и в значительной степени поглощаются им. Дно начинает испускать тепловые инфракрасные лучи, которые не могут проникнуть сквозь стекло обратно наружу; в нижнем направлении путь ему преграждает слой теплоизоляции. Задержанное таким образом тепло передается теплоносителю, протекающему, как правило, по уложенному на дне коллектора змеевику из металлических или полимерных трубок.
Сравнительно недавно на рынке появились солнечные коллекторы другого вида: они представляют собой батарею стеклянных труб. Внутри каждой из них в вакууме располагается двойная концентрическая трубка. По ее центральному каналу в конструкцию поступает из распределительного коллектора (он также двойной, совмещающий функции прямого и обратного) холодный теплоноситель. Возвращаясь по среднему каналу, теплоноситель получает «захваченное» (механизм – примерно такой же, что и в плоском коллекторе) в вакуумной трубке солнечное тепло и уносит его в систему отопления или горячего водоснабжения объекта. Кроме показанного, есть коллекторы на основе вакуумных трубок, где для улавливания солнечной радиации применены контактирующие с тепловой трубкой пластины, покрытые по всей длине специальным слоем полупроводника. Это позволяет преобразовать в тепло солнечную радиацию максимально широкого диапазона. Простейшая система на основе теплового солнечного коллектора – его сочетание с расположенным выше него баком-аккумулятором горячей воды. Благодаря разности плотностей горячей и холодной воды в контуре возникает циркуляция. Для обеспечения ее надежности используется специальный насос. Такие конструкции довольно широко представлены на европейском рынке теплотехнического оборудования и применяются для горячего водоснабжения.
Более сложный вариант предусматривает включение коллектора в отдельный контур. Циркулирующий в нем теплоноситель передает утилизированную солнечную энергию через теплообменник в теплоизолированный бак-аккумулятор, что позволяет «запасать» тепло в солнечное время суток и расходовать его, когда это требуется. Такая система используется не только для ГВС, но и для отопления. Конструкция бака может предусматривать электрический или газовый нагреватель, автоматически включаемый, когда энергии Солнца недостаточно.
Довольно распространенный и, пожалуй, наиболее перспективный вариант использования солнечной энергии для теплоснабжения индивидуальных домов и других небольших объектов – система, представляющая собой комбинацию солнечных коллекторов, бака-аккумулятора, одного или нескольких отопительных котлов. (Технологически более «продвинутая» схема предусматривает еще и тепловой насос.) Такое сочетание обеспечивает комфортные условия с наименьшими затратами традиционных энергоносителей. В данном случае бак-аккумулятор с системой встроенных (обычно) теплообменников играет роль объединяющего и согласующего элемента всей установки теплоснабжения.
В данное время преобладает использование тепловых коллекторов, всвязи с доступностью по цене. Но получение электроэнергии намного заманчивее, чем получение тепла. Наука не стоит на месте и в ближайшем будущем стоит ждать новые разработки в этом направлении. Они снизят затраты на производство солнечного электричества и обеспечат человечество дешевой и безопасной энергией.
Кроме солнечных коллекторов для нагрева жидких теплоносителей разработаны и воздухонагревательные устройства, состоящие из прозрачной стенки и нагревательного материала, между которыми перемещается поток сухого воздуха как за счет естественной, так и принудительной тяги. Такие коллекторы могут использоваться и для обогрева помещений, и для сушки продуктов.
Современная концепция энергоэффективного и даже энергонезависимого (за рубежом прижилось понятие «пассивного») здания предусматривает не только тепло, но и электроснабжение от возобновляемых источников. Превращение солнечной энергии в электрическую, осуществляется в коллекторах на основе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), подразделяющихся на два основных вида: электровакуумные и полупроводниковые. Последние, являются наиболее эффективными. Преобразование энергии в ФЭП основано на эффекте, возникающем в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Коэффициент преобразования света солнечных элементов в земных условиях достигает 22 %. Напряжение солнечных батарей достигает десятков вольт, а мощность – десятков киловатт. На российском рынке имеются модули ФЭП как зарубежного, так и отечественного производства, изготавливаемые на основе монокристаллического кремния в алюминиевой рамке с КПД преобразования света 15–18 % и пиковой мощностью 2,8–120 Вт. Все они имеют осветленное стеклянное покрытие и генерируют постоянный ток. Энергия может использоваться как напрямую, так и, преобразовываясь в переменный ток напряжением 220 В. Стоит сказать, что фотоэлектрические преобразователи используются и для создания довольно мощных (до 10 МВт) электростанций.
Математическое моделирование простейшей солнечной водонагревательной установки, проведенное в Институте высоких температур РАН, показало, что в реальных климатических условиях средней полосы России целесообразно использование сезонных солнечных водонагревателей, работающих с марта по сентябрь. Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему бака-аккумулятора 2 м2/100 л вероятность ежедневного нагрева воды в этот период до температуры не менее чем до 37 °С составляет 50–90 %, до температуры не менее чем 45 °С – 30–70 %, до температуры не менее чем 55 °С – 20–60 %. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.
