Солнечные коллекторы


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.