Важнейшим элементом любой нагревательной гелиосистемы, используе­мой в низкотемпературных технологических процессах в пределах температур 70-140°С, является солнечный коллектор. Его назначение заключается в том, чтобы превратить энергию солнечного излучения в теплоту и передать ее теп­лоносителю в виде жидкости или газа. Нагретый теплоноситель поступает в зону, где он отдает аккумулированную теплоту, и затем возвращается в кол­лектор или расходуется, а вместо него подается исходная среда.

Солнечные коллекторы очень широко используются в мире в различных климатических зонах от тропиков до полярных широт (рис. 1,49). О масшта­бах применения этих эффективных устройств свидетельствуют следующие данные. К 1991 г. в мире суммарная площадь установленных коллекторов со­ставила более 24 млн м2. Половина из них — 10 млн м2 смонтирована в США,

Рис. 1.49. Выпуск солнечных коллекторов в мире

8 млн м2- в Японии, 2 млн м2 — в Китае, 1,75 млн м2 — в Израиле, 1,2 млн м2 — в Австралии, на долю Румынии приходился 1 млн м2, Австрии — 590 тыс. м2, СССР — 150 тыс. м2. В Германии только за 1991 г. введено в строй подобных гелиосистем суммарной площадью 200 тыс. м2, т. е. столько, сколько за преды­дущие 15 лет, а в 2000 г. — 600 тыс. м2. В Европейском Союзе в 1995 г. насчи­тывалось 6,5 млн м2 солнечных коллекторов. Сейчас — 11 млн м2. Их число в 2010 г. планируется довести до 100 млн м2 [14]. Среди ведущих европейских стран в использовании солнечных коллекторов находятся Германия, Австрия, Греция.

Плоский солнечный коллектор (рис. 1.50) состоит из теплоприемной пла­стины 1 с приваренными трубками 2, металлического кожуха 3, тепловой изо­ляции 4 и прозрачного защитного покрытия 5.

Солнечное излучение, падающее на прозрачное защитное покрытие 5, частично проходит сквозь него, а частично отражается. Прошедшая доля из­лучения поглощается тепловоспринимающей пластиной 1, превращаясь в ее внутреннюю энергию, и передается протекающему по трубкам теплоноси - телю. Нагретый теплоноситель подается к потребителю.

Пластина 1 также частично отражает падающее на нее излучение на внутреннюю поверхность защитного покрытия 5. От него поток радиации вновь отражается внутрь или проходит насквозь и попадает в атмосферу.

Современные коллекторы оснащаются тепло прием ной пластиной, vnго­товленной по типу «труба в листе», как испаритель в холодильнике, ил алю­миния или нержавеющей стали [35]. Иногда теплоприемный элемент делаета из пластмассы. Другие виды тещюприемнух элементов с каналами различ­ною сечения изображены нарис. 1.51.

Абсорбер с каналами треугольного сечения

Рис. U1. Типы тепловоспринимающих элементов

Эффективность солнечного коллектора определяется из следующих сооб - ниЙ. Плотность теплового потока в солнечном коллекторе находится из

Чпоя=Р'[е(т «O-uJt.-t.)],

где Япоя_ ■ плотность теплового потока, соответствующая полезной тепловой

мощности коллектора, Вт/м2; Е — плотность потока суммарной (прямой и рассе­янной) солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2; т — пропускательная способность прозрачного покрытия; а — поглощательная способность тепловос­принимающей пластины; UL — общий коэффициент тепловых потерь, Вт/ (м2 К); j ( средняя температура жидкости в коллекторе, К; Тв — температура окру­

жающего воздуха, К; F' — коэффициент эффективности тепловосприннмающей пластины с учетом того, что средняя температура пластины всегда выше средней температуры жидкости. Эта величина всегда меньше 1.

Для коэффициента полезного действия коллектора получим

Отметим, что КПД коллектора зависит от факторов различного происхожде­ния: метеорологических(Е, Т„), режимных (Ті) и конструктивных(т, (7, F1, UL).

Анализ показывает, что плотность потока солнечной радиации изменя­ется от 0 в темное время суток до максимума в полдень. Поэтому формула (1.25) позволяет определить мгновенное значение КПД коллектора, которое можно с допущениями принять средним для данного часа суток.

Объективное сравнение теплотехнической эффективности солнечных коллекторов проводят по тем характеристикам, которые зависят от проекти­ровщика: х, a, F, UL. Причем первые три должны быть максимальными, а по­следняя — минимальной.

Из формулы (1.25) следует, что на величину КПД солнечного коллектора влияют многие факторы.

При оценке эффективности применения разных материалов для абсорбера найдено, что КПД коллектора увеличивается с ростом произведения толщины листа на его коэффициент теплопроводности. Абсорбер с листом толщиной в
1 мм из меди, алюминия, стали и пластмассы (при X = 390; 205; 45 и 0,6 Вт/(м К) соответственно) продемонстрировал КПД 52; 50; 48 и 22%.

Интенсивность солнечного излучения значительно сказывается на вели, чине КПД коллектора. Ее возрастание с 300 до 1000 Вт/м2 сопровождается увеличением КПД от 32 до 59%. Рост температуры наружного воздуха с 10flc до 30°С позволяет увеличить КПД с 41 до 55%.

Возрастание расхода теплоносителя до определенного уровня повышает КПД, а затем он остается неизменным. Поэтому существует оптимальная ве­личина расхода.

Удобной формой представления результатов испытаний солнечных кол - лекторов для их сопоставления является зависимость в виде прямой между мгновенным КПД коллектора, его оптическими свойствами и геометриче­скими параметрами [37]:

Л “ - Ьх,

где щ ~ F' т а; Ь= FUL; х = (Т,-Tj/E.

Эта прямая (рис. 1.52), пересекаясь с осью ординат, отсекает отрезок, пропорциональный эффективному оптическому КПД коллектора. Тангенс уг­ла ее наклона по отношению к оси абсцисс равен эффективному коэффици­енту тепло потерь.

Представленный график (рис. 1.52) характеризует высокие оптические свойства коллектора: F'(ra)= 0,88 и хорошую поглощательную способность абсорбера.

выбора типа солнечного коллектора при различных климатических и свойствах прибора можно воспользоваться номограммой 1.53) [31]) построенной для коллекторов со следующими характеристи-

ками:

j__ плоский коллектор без остекления

2 плоский коллектор с однослойным остеклением

3 __ плоский коллектор с двухслойным остеклением

4 __ плоский коллектор с однослойным остеклением и селективным покрытием

5

— вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор

Рис. I S3. Характеристика коллекторов солнечной энергии

Отмеченные на номограмме области А, Б, В соответствуют характерне^ кам коллекторов, которые целесообразно применять для нагрева воды в вательных бассейнах, для систем горячего водоснабжения и комбинировав ных — для горячего водоснабжения и отопления.

Существует целый ряд мер, предпринимаемых для повышения КПД кол, лектора. Они направлены на совершенствование каждого его элемента.

Снижение потерь за счет излучения с фронтальной поверхности достиг^, ется путем устройства двух - и даже трехслойного остекления. Для прозрачной защиты применяют закаленное стекло с высокой степенью прозрачности.

Особым направлением является разработка и нанесение селективных по - крытий. Поверхности с таким покрытием обладают высокой поглощательной способностью в диапазоне длин волн солнечного излучения и низкой степе, нью черноты (эмиссией) в длинноволновой части спектра, в которой излучает нагреваемый абсорбер (рис. 1.54). На этом рисунке представлена отражатель, пая способность в различных диапазонах излучения одного из селективны - материалов.

1 2 3 4 ^ Л, МКМ Рис. IS4. Отражательная способность в {различных диапазонах излучения одного из селект иепых материал ов

Свойства некоторых селективных покрытий приведены в таблице 1.17.

Поглощательная спо-
собность по солнечному
излучению, а

Эмиссия относительно длинноволнового излу - нения, е

"Тарный никель, содер­жащий окислы и сульфиды ціі и Zn, на полированном никеле

Покрытия из черного никеля и черного хрома наносят гальваническим способом,

В последние годы разработаны и применяются другие эффективные се­лективные покрытия. Немецкая фирма TINOX GmbH (г. Мюнхен) с 1995 г, из­готовила и испытала солнечные коллекторы суммарной площадью 150 000 м2 с покрытием TiN + NiOj + TiO. Селективный слой из соединений титана нано­сится распылением в вакууме. Толщина слоя составляет 0,0006 мм на под­ложке из медной фольги толщиной 0,2 мм. Для защиты поверхность рабочего слоя покрывается тонким слоем (5=0,0009 мм) кварца. Такое покрытие увели­чивает количество поглощаемой энергии на 10% по сравнению с обычными коллекторами. Срок службы покрытия гарантируется в течение 25 лет.

Еще одним примером высокоэффективного поглотителя служит компо­зитное покрытие Ni:Si02, изготовленное путем диспергирования металличе­ских частиц в изолирующей матрице. Покрытие обладает поглощающей спо­собностью а = 0,90-0,96, а тепловая эмиссия составляет £= 0,03-0,14.

Селективное покрытие можно наносить на внутреннюю поверхность про­зрачной защиты. В этом случае покрытие также должно быть прозрачным, на­пример, из тонкого слоя полупроводниковых материалов.

Более дешевым является применение зачерняющих красок.

Конвективные потери между абсорбером и прозрачным покрыт^ уменьшаются при вакуумировании внутреннего пространства коллектора, H(J эта операция повышает его стоимость.

Тепловые потери с боковых поверхностей и дна сокращаются при цс. пользовании эффективной тепловой изоляции внутри коллектора. Изолируй щими материалами служат минеральная вата, фолъгированная алюминие^ пенополистирол и другие.

Эффективный трубчатый вакуумированный коллектор состоит из внешней и внутренней стеклянных труб. Изнутри внешняя труба имеет селективное ПО - крытие. Внутри маленькой трубки размешен абсорбер — медный лист. Между медным листом и внутренней трубкой движется нагреваемый теплоноситель.

Входы и выходы теплоносителя в трубках сообщаются с впускным и вы­пускным коллекторами. Внутреннее пространство вакуумируется до давления 0,01-0,1 Па. Комплект вакуум ированных трубок размещается на отражателе, под которым слой изоляции [38].

Вмесго вакуум ированных труб иногда используют тепловые трубы с пе­реносом теплоты теплоносителем, у которого изменяется агрегатное состояние.

Хороший эффект, связанный с повышением температуры теплоносителя до 200-250°С, достигается, если между прозрачным защитным покрытием и тепловоспринимающей поверхностью разместить тонкий лист изоляции с ячейками. Ячеистая изоляция подавляет конвективный теплообмен в зазоре даже при наличии воздуха. При этом конструкция коллектора отличается про­стотой.

С учетом всех усовершенствований КПД современных солнечных кол­лекторов доведен до 45-60%.

Солнечные коллекторы встраиваются в гелионагревательные системы го­рячего водоснабжеия и отопления.