Применение солнечных коллекторов
На рис.10 представлены варианты соединения трубок в плоских коллекторах.
Рис.10.Варианты соединение трубок в плоских коллекторах
В первом варианте соединения трубок, возникает вопрос равномерного распределения жидкостей по каналам. Обычно это достигается увеличением диаметра горизонтальных участков труб коллектора. Во втором варианте, необходимо предусмотреть уклоны для обеспечения вытеснения воздуха при его заполнении.
Самым высокотехнологичным элементом в конструкции абсорбера является специальное поглощающее покрытие. Очевидно, что для повышения эффективности работы необходимо, чтобы это покрытие могло поглощать максимально большую часть тепловой энергии от падающих на поверхность гелиоколлектора солнечных лучей, а при нагреве излучало минимальную долю поглощенной энергии в инфракрасном спектре. При отсутствии теплового разбора плоские коллекторы способны нагреть теплоноситель до 190–200°С.
Абсорбирующая пластина (абсорбер) покрывается специальным селективным покрытием (обычно черный хром, чёрный никель или напыление оксида титана) для повышения эффективности. Абсорбер может быть изготовлен из различных материалов, таких как медь, алюминий, стекло и может иметь различную форму. Неизменным является то, что абсорбер находится на освещенной солнечным излучением части солнечного коллектора. Для максимального поглощения солнечного излучения на абсорбер наносят специальное поглощающее селективное покрытие. Это покрытие обеспечивает максимально возможное поглощение солнечной энергии, попадающей на абсорбер, при этом препятствует обратному излучению.
В перьевых абсорберах к отдельным пластинам прикреплена или приварена трубка. Трубки в таких абсорберах соединяются между собой в виде арфы или еще это соединение называют коллекторным типом. В цельно листовых абсорберах система распределения теплоносителя может быть различной. Это могут быть трубка в виде меандра или же трубки коллекторного типа, а также может быть применен метод штамповки. Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность.
Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре, эффективность которого может составлять около 95%. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности. Также высокая эффективность достигается увеличением площади контакта трубки и медного листа: у формованного листа и паянного соединение она максимальна, у соединения ультразвуковой сваркой – меньше. Используется также алюминиевый экран. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметикам. Повысить эффективность гелиоколлектора можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре, эффективность которого может составлять около 95%.
Поглощающая способность обозначается символом альфа «α». Излучающая способность – символ эпсилон «ε». Свойства некоторых селективных покрытий представлены в таблице 1.
Оптический КПД солнечного коллектора определяет, какой процент излучения, попадает через прозрачное покрытие на коллектор и поглощается абсорбером. Данный показатель полностью характеризует применяемые материалы защитного прозрачного, материала и покрытия абсорбера, не зависит от климатических факторов и конструктивных и тепловых параметров гелиосистемы. Наилучшие показатели оптического КПД современных солнечных коллекторов составляют 0,92–0,94.
Мгновенный КПД можно определить по формуле:
Параметры, влияющие на КПД солнечного коллектора:
–интенсивность солнечной энергии;
–температура наружного воздуха;
–конструктивные характеристики солнечного коллектора;
–свойства поверхности абсорбера;
–материал и толщина листа;
–толщина,
–коэффициент теплопроводности тепловой изоляции,
–шаг труб;
–рабочие параметры всей гелиосистемы (расход теплоносителя и его температура на входе).
При сравнении различных материалов, используемых для изготовления абсорбера, – меди, алюминия, стали, пластмассы – установлено, что с увеличением произведения толщины листа на его коэффициент теплопроводности, значение КПД коллектора возрастает.
Расстояние между трубками в плоском абсорбере обычно меняется от 50 до 150 миллиметров, при этом, его КПД меняется от 0,989 до 0,948 если он выполнен из меди, от 0,88 до 0,934, для алюминия и 0.984 до 0,819 для стали. Уменьшение диаметра трубок снижает эффективность на 2–4 %.
Расстояние между трубками в плоском абсорбере обычно меняется от 50 до 150 миллиметров, при этом, его КПД меняется от 0,989 до 0,948 если он выполнен из меди, от 0,88 до 0,934, для алюминия и 0.984 до 0,819 для стали. Уменьшение диаметра трубок снижает эффективность на 2–4 %.
Очень большую роль в эффективности работы плоских солнечных коллекторов играют атмосферные факторы, так при уменьшении температуры окружающего воздуха с 25 до 10°С, КПД падает примерно на 25 %. При появлении облачности – в два раза, допустим интенсивность солнечного излучения упала с 1000 до 500 Вт/м², тогда коллектор площадью один квадратный метр произведет примерно в 4 раза меньше тепловой энергии, чем в первом случае. Чем ниже температура входящего теплоносителя, тем выше КПД. Увеличение расхода теплоносителя влечет увеличение КПД до определенной величины и потом остается неизменным.
Таблица 1 Свойства селективных покрытий
Важным фактором также является качество селективной поверхности абсорбера. У лучших, показатель их эффективности составляет 0,96, в то время как, простая черная краска имеет данный показатель на уровне 0,5.
На рис.11 показаны зависимости мгновенного КПД закрытого плоского солнечного коллектора с высокоселективной поверхностью абсорбера от интенсивности солнечного потока (1000, 800, 500, 300 Вт/м², разности температур теплоносителя и окружающего воздуха, при наилучших показателях оптического КПД (0,82) и углу падения солнечных лучей перпендикулярно поверхности при коэффициенте потерь, равным 7 Вт/м²°С.
Рис.11 График сравнения тепловой эффективности разных солнечных коллекторов при солнечном излучении мощностью 600 Вт/м²: 1 – вакуумный коллектор (трубчатого типа); 2 – плоский солнечный коллектор (селективное покрытие); 3 – солнечный коллектор открытого типа
Для обеспечения простого и быстрого гидравлического подключения, например, гелиоколлектор Logasol SKN3.0, рис. 12, оснащен патрубками для шлангов.
Рис.12 Гелиоколлектор SKN3.0-S–вертикальный, SKN3.0-w- горизонтальный
Гелиоколлекторы монтируются без применения специального инструмента с помощью ленточных пружинных хомутов, рассчитанных вместе с гелиоколлекторами на температуру до +170°С и давление до 6 бар. Основные технические данные плоских гелиоколлекторов Logasol SKN3.0 представлены в таблице 2.
Таблица 2 Основные технические данные плоских гелиоколлекторов Logasol SKN3.0.
Конструкция абсорбера в форме сдвоенного меандра способствует увеличению мощности коллекторов, обеспечивая турбулентное движение теплоносителя на всех участках. Также, за счет параллельного соединения двух меандров (змеевиков) в гелиоколлекторе достигается низкий уровень потерь давления. Сборный трубопровод обратного потока расположен в нижней части гелиоколлектора. Поэтому в периоды стагнации горячий теплоноситель может быстрее пройти через гелиоколлектор.
Гелиоустановке необходима защита от замерзания. Для этого применяют на выбор антифризы Solarfluid L и Туосог LS. Теплоноситель Solarfluid L – это готовая для применения смесь 50% полипропилен-гликоля и 50% воды. Бесцветная смесь не приносит вреда продуктам питания и подвергается биологическому распаду. Теплоноситель Solarfluid L защищает гелиоустановку от замерзания и коррозии. В установках с гелиоколлекторами Logasol SКNЗ.0 и SКN4.0 теплоноситель Solarfluid L обеспечивает надежную эксплуатацию при температурах от 37 °С до +170 °С. Гелиоустановке необходима защита от замерзания. Для этого применяют на выбор антифризы Solarfluid L и Туосог LS. Теплоноситель Solarfluid L – это готовая для применения смесь 50% полипропилен-гликоля и 50% воды. Бесцветная смесь не приносит вреда продуктам питания и подвергается биологическому распаду. Теплоноситель Solarfluid L защищает гелиоустановку от замерзания и коррозии. В установках с гелиоколлекторами Logasol SКNЗ.0 и SКN4.0 теплоноситель Solarfluid L обеспечивает надежную эксплуатацию при температурах от 37 °С до +170 °С.
Теплоноситель Туосог LS – это смесь 43% полипропилен-гликоля и 57% воды. Смесь красного/розового цвета не наносит вреда продуктам питания и поддается биологическому распаду, гарантирует надежную эксплуатацию при температурах от – 28 °С до +170 °С.
Теплоносители на основе водных растворов полипропилен гликоля подвержены старению во время эксплуатации гелиоустановок. При длительных термических перегрузках (>200 °С) возникает характерный резкий горелый запах. Вследствие образования твердых частиц как продуктов распада пропилен гликоля или ингибиторов, которые уже не могут раствориться в воде, теплоноситель приобретает почти черный цвет. Существенными факторами влияния являются высокие температуры, давление и длительность нагрузки. На эти факторы ощутимо влияет геометрия абсорбера. Расположение присоединительных трубок на коллекторе оказывает влияние на стагнационные характеристики гелиоколлектора и, тем самым, и на старение теплоносителя. Поэтому следует избегать длинных наклонных (с подъемом) участков прямого и обратного трубопроводов у коллекторного поля, так как в период стагнации теплоноситель из этих линий попадает в гелиоколлектор и увеличивает объем пара. Старению дополнительно способствует кислород и загрязнения, например, медная или стальная окалина. Для контроля теплоносителя на монтажной площадке следует определять показатель рН и содержание антифриза.
Преимущества, закрытых плоских трубчатых коллекторов.
1.Высокая эффективность работы летом. При правильном выборе направления ориентации на солнце имеют значительно более высокую эффективность, чем открытые солнечные коллекторы – КПД более 50%.
Перепад температур между коллектором и атмосферным воздухом может достигать 20–60°С.
2.Хорошее соотношение цена – эффективность при эксплуатации систем только в летний период времени.
3. Способность самоочищаться от снега и инея. Данная способность определяется не конструкцией самого плоского солнечного коллектора. Снег оседает на поверхность и иней образуется у плоского и у другого любого коллектора в ночные часы или при полной облачности. У систем ГВС и отопления с использованием плоских трубчатых коллекторов есть возможность принудительно подогреть теплоноситель в трубках, и он нагреет абсорбер, который, в свою очередь, нагреет стекло солнечного коллектора. Снег и иней, находящийся на поверхности коллектора, растают.
4. Плоские солнечные коллекторы имеют наибольшее соотношение площади абсорбера к площади всего коллектора, значит, при определенном направлении падения солнечных лучей, они имеют возможность использовать всю энергию солнца, действующую на квадратный метр поверхности.
5. Простая и надежная конструкция. Высокая долговечность оборудования (более 50 лет; производитель обычно дает гарантию на 10 лет эксплуатации). Возможность работы круглый год. Эффективно работают при необходимости нагрева воды выше на 20…40°С от температуры окружающей среды.
Недостатки закрытых плоских трубчатых коллекторов
1.Низкая эффективность работы в холодное время года. Воздушная прослойка между защитным стеклом и абсорбером и стекло имеют значительную теплопроводность и если на улице холодно, то большая часть солнечной энергии, которая преобразуется на абсорбере в тепловую, отдается в атмосферу. Особенно это усиливается в ветряную погоду. Максимальна эффективность плоского коллектора достигается только при попадании солнечных лучей под прямым углом, т.е. в полдень.
2.Ограниченный период эффективной работы в дневное время. Плоские коллекторы – стационарные объекты, строго ориентированные в пространстве. Поскольку Солнце перемещается по 15 градусов каждый час, то эффективная работа плоского солнечного коллектора длится не более 5 часов в сутки в то время, как продолжительность светового дня в летний период, составляет до 17,5 часов.
Максимальна эффективность плоского коллектора достигается только при попадании солнечных лучей под прямым углом, т.е. в полдень.
3.Требует периодической очистки от пыли, грязи, снега.
4.Сложность транспортировки и монтажа. Плоские солнечные коллекторы, в собранном виде – это габаритная тяжелая конструкция, которую трудно транспортировать личным транспортом и монтировать на крышах домов. Работы должны выполняться с применением грузоподъемной техники несколькими людьми. В пассажирские лифты и лестничные марши частных домов данные устройства, как правило, не помещаются.
5.Сложность ремонта. При повреждении стеклянного защитного покрытия, или выходе из строя элементов плоских солнечных коллекторов, требуется полная замена всего коллектора. Ремонт должен быть выполнен в мастерской. Фактически, данная проблема приводит к полной остановке работы системы до замены поврежденного коллектора.
6.Высокая парусность. Плоские коллекторы имеют высокую парусность. Они могут быть установлены непосредственно на склоны крыш домов, но такая установка, как правило, приводит к значительному падению эффективности работы устройства, поскольку реальные дома имеют склоны крыш с разной ориентацией на солнце и разные уклоны. Для большей эффективности, коллекторы устанавливаются на раму, которая крепится на крыше. Но из-за больших габаритов, парусности и веса, данные конструкции должны быть прочными.
2.2. С вакуумными трубками
Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы для применения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют в эффективности в неблагоприятные дни – в холодную, облачную и ветреную погоду. Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят к преждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, – к ухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостатки устраняются путем использования вакуумных коллекторов. Вакуумные коллекторы нагревают воду для бытового применения там, где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозь наружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается в тепло. Оно передается жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит из нескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплен трубчатый поглотитель (вместо пластины-поглотителя в плоских коллекторах) с селективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник и отдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе. Вакуумные коллекторы являются модульными, т.е. трубки можно добавлять или убирать по мере надобности, в зависимости от потребности в горячей воде. При изготовлении коллекторов этого типа из пространства между трубками высасывается воздух и образуется вакуум. Благодаря этому устраняются потери тепла, связанные с теплопроводностью воздуха и конвекцией, вызванной его циркуляцией. Остается радиационная потеря тепла (тепловая энергия движется от теплой к холодной поверхности, даже в условиях вакуума). Однако эта потеря мала и незначительна по сравнению с количеством тепла, передаваемого жидкости в трубке-поглотителе. Вакуум в стеклянной трубке – лучшая из возможных теплоизоляций для коллектора – снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящую трубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат – отличные рабочие характеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.
Функция вакуумированных трубок солнечного коллектора – поглотить солнечное излучение и не дать выйти в окружающую среду. Тепловая энергия может покинуть рабочую часть вакуумного солнечного коллектора двумя способами – за счет прямой теплоотдачи и в виде ИК-излучения. Полость между стеклянными стенками практически полностью исключает возможно прямой отдачи тепла, в вакууме нет молекул веществ, которые могли бы осуществить его перенос. Селективное покрытие (абсорбент) обеспечивает поглощение солнечной энергии и не позволяет ей выйти наружу. Существуют разные типы таких покрытий, отличающиеся поглощательной и излучательной способностью.
Основным узлом любого солнечного вакуумного водонагревателя или солнечного вакуумного коллектора является батарея вакуумных трубок. Существуют шесть основных типов вакуумных трубок. В зависимости от типа вакуумной трубки различается и физический принцип нагрева воды в баке солнечного водонагревателя или в манифолде солнечного коллектора.
1.Вакуумные трубки коаксиального типа. Коаксиальная вакуумная трубка солнечного коллектора – сосуд Дьюара, выполненный в виде тонкостенных стеклянных коаксиальных трубок, запаянных с торца. Из пространства между стенками труб выкачан воздух. Конструкция вакуумной трубки солнечного коллектора представлена на рис.13.
Рис.13 Продольный разрез коаксиальной вакуумной трубки
Свободный конец внутренней трубки поддерживается держателем, выполненным из нержавеющей стали.
Требования к вакуумным трубкам солнечных коллекторов:
–стекло должно иметь высокую прочность;
–высокую света пропускную способность;
–устойчивость к старению при высоких температурах;
–сохранять в течение длительного времени высокий уровень вакуума;
–иметь индикаторы уровня вакуума.
Трубки вакуумных коллекторов выполнены из чрезвычайно крепкого боросиликатного стекла, которое выдерживает удары града, падающего со скоростью 18 м/с диаметром до 35 мм. Боросиликатное стекло пропускает волны солнечной радиации в диапазоне 0,4–2,7 нм, – весь спектр теплового излучения. Толщина стенок у разных производителей разная и составляет около 1,7 мм для внешней трубы и 1,5 мм для внутренней. Массово выпускаются несколько типоразмеров труб, наиболее популярны вакуумные трубы длиной от 1,5 до 2,0 м с внешним диаметром 57 и 75 мм, но есть и трубы с внешним диаметром 150 мм. Зазор между трубами составляет около 3,5 мм. Основные типоразмеры диаметров колб – 70, 58, 48, 37 мм, длина колб – 1500, 1800, 2100 мм. Чем больше диаметр трубки и ее длина, тем больше площадь абсорбции и выше теплотворность трубки. Колбы вакуумной трубки выполнены из прочного боросиликатного стекла, стойкого к граду и механическим повреждениям.
На поверхности внутренней колбы наносится специальное многослойное селективное покрытие, которое позволяет утилизировать в тепло 92–96% спектра солнечного излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового). Первый слой – это теплопередающий слой напыления меди, М–AL–N/Cu, который имеет низкий коэффициент эмиссии и высокую теплопередачу через внутреннюю стеклянную стенку к теплоносителю. Второй слой (антиэмиссионный), это пленка нитрида алюминия Al–N–Al служит для предотвращения перекрестной миграции энергии. Этот слой позволяет меди первого слоя нагреваться до температур свыше 400 °С за счет предотвращения потерь тепла. Третий слой металлокерамический (высокоселективный абсорбирующий) – напыление нитрида алюминия AL–N/M–AL–N распыленных одновременно в газовой смеси аргона и азота для получения покрытия, которое поглощает солнечное излучение с очень низкой теплоотдачей. Чаще всего на рынке представлены трубки с 3-слойным покрытием, потому что 7-ми и 9-тислойное покрытие существенно удорожает стоимость трубок, а выигрыш дает всего на 2–3 процента. На рынке РФ трубки из-за покрытия имеют темно-синий цвет. В Китае и ЮВА более распространены трубки с покрытием серо-стального или серо-розоватого цвета. После откачки воздуха из меж стеночного пространства перед запаиванием носика колбы внутрь впрыскивается соль бария, которая образует на внутренней стенке колбы зеркальный слой. Этот зеркальный слой и является индикатором вакуума рис.14. Стандартный уровень вакуума в межтрубном пространстве коаксиальных труб составляет 5х1х10–3 Па. При нарушении вакуума в трубке зеркальный слой превращается в мутный молочно-белый. Стенки стеклянных цилиндров имеют различную толщину: внешняя колба более прочная – 1,8±0,15мм, внутренняя колба – 1,6±0,15мм. Цилиндры вставлены один в другой и запаяны в верхней части (устье) трубки. Противоположный конец внутренней колбы удерживает в центре пружиной с четырьмя лепестками. Верхние концы (устья) вакуумных трубок вставляются через уплотнители в бак-термос, расположенный на раме над ними, и образуют с ним одну ёмкость. Принцип действия – термосифон между вакуумными трубками и баком- термосом водонагревателя. Теплоноситель системы – вода. Тип циркуляции – пассивный. Абсорбционный слой на поверхности внутренней колбы утилизирует солнечную энергию и нагревает стекло колбы, вода в вакуумной трубке нагревается от стекла, и она естественным образом поднимается вдоль верхней стенки колбы и поступает в бак- термос, одновременно более холодная вода из бака-термоса поступает вдоль задней стенки колбы в вакуумную трубку. Таким образом, происходит циркуляция воды внутри системы.
Рис.14 Зеркальный слой – индикатор вакуума
1.Спаренные коаксиальные трубки. Принцип работы такого теплоприемника как у предыдущего, за одним исключением – к одному теплообменнику присоединены две медных трубки с жидкостью. Спаренная система позволяет более эффективно отбирать тепло, а большая емкость и площадь стенок теплообменника – быстро нагревать воду. Вакуумные коллектор со спаренной коаксиальной системой устанавливают там, где необходимо:
–обеспечить небольшой подогрев больших объемов воды;
–есть потребность в тепловой энергии на протяжении солнечного дня;
–высокий средний уровень инсоляции;
–происходит быстрая прокачка воды через систему.
2. Вакуумные трубки двойного вакуумирования (double vacuum tube (сокращенно DVT) или super vacuum tube) представляют собой колбу термоса (колба в колбе) как и первый тип, Отличием является то, что из внутренней колбы тоже откачан воздух до 1х10–4 Па и внутрь залито 20 мл легкоиспаряющейся жидкости (аналог пропилен гликоля), рис.15. На устье вакуумной трубки наварен стеклянный теплообменник-конденсатор длинной 150 мм и диаметром как внутренняя колба вакуумной трубки. Толщина стенок стеклянных колб, марка стекла, внешние типоразмеры у вакуумных трубок всех типов одинаковые, как и у вакуумных трубок первого типа. Верхние запаянные концы вакуумных трубок (с теплообменником) вставляются через уплотнители в бак-термос, расположенный на раме над ними, и не образуют с ним одну ёмкость. Теплоноситель системы – легкоиспаряющаяся жидкость, находящаяся во внутренней колбе. Тип циркуляции – пассивный. Принцип действия – прямой теплообмен между теплообменником-конденсатором вакуумной трубки двойного вакуумирования (DVT) и водой в баке-термосе. Легкоиспаряющаяся жидкость в вакуумной трубке нагревается внутренней стеклянной колбы, которая нагревается от солнца, и при +35°С начинает испаряться. Пар поднимается и поступает в верхнюю часть вакуумной трубки, где расположен конденсатор-теплообменник, там контактируя через стекло с водой в баке- термосе, отдает тепло, конденсируется и стекает вниз в вакуумную трубку. Затем цикл повторяется, создавая таким образом непрерывный процесс теплообмена. Таким образом, происходит нагрев воды внутри бака-термоса. Прямого контакта между теплоносителем и водой нет. Показатель максимального КПД (оптического КПД "ηo") солнечного водонагревателя с вакуумными трубками DVT достигает 90–92%.
Рис.15 Трубки двойного вакуумирования
3. Вакуумные трубки типа «Heat Pipe». являются продолжением развития вакуумных трубок первого типа с включением элементов с теплопроводностью выше, чем стекло и вода, рис.16.
Рис.16 Вакуумная трубка типа "Heat pipe"