МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
КАФЕДРА ТЕПЛОТЕХНІКИ І ТЕПЛОВИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ СТАНЦІЙ
Курсова робота
НА ТЕМУ: “РОЗРАХУНОК ГЕЛІОУСТАНОВКИ”
З ДИСЦИПЛІНИ: “НЕТРАДИЦІЙНІ ТА ПОНОВЛЮВАНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ”
Виконав: студент гр. ТЕ-31
Колодійчук А. І.
Керівник: доцент М.П. Кузик
ЛЬВІВ 2013
Конструкції плоских сонячних колекторів
Сьогодні сонячна енергія найбільш широко використовується у системах теплопостачання будинків різного призначення.
Основним елементом в системах сонячного теплопостачання с колектори, які бувають різноманітних конструкцій. Їх найпростіша конструкція - скринька з ізоляційного матеріалу (дерево, пластик тощо), дно якого пофарбовано у чорний колір. Зверху скриньку закривають щільно склом. Сонячні промені, проходячи крізь скло, падають на затемнену поверхню колектора, нагріваючи речовину, яка с у ньому. Скло та ізоляція запобігають тепловим втратам у довкілля.
Крім цієї конструкції, є плоскі вакуумні колектори з системою орієнтації до Сонця. Слід зауважити, що велику роль у цих колекторах відіграє кількість шарів скла. Так. у випадку одного шару скла отримують температуру в колекторі 40-50 °С. коли є два скла з 2-3 см прошарком повітря - 60-80 °С, а при встановленні потрійного скла з відповідним повітряним прошарком - до 90-100 °С.
Дослідженнями доведено, що найбільш простим і надійно працюючим є сонячний водонагрівач трубного типу. Стандартна секція такого водонагрівача - дерев’яна рама з розмірами 5,0 х 2,1м (висота верхньої половини 19,5 см, а нижньої - 17,5 см) з одним середнім повздовжнім, сімома поперечними брусками. На цих брусках лежать рифлені металеві листи з напівкруглими канавками, де щільно укладені нагрівні трубки d - 12 мм.
Основними параметрами, які характеризують роботу сонячного колектора, є: приведена поглинальна здатність (ατ), коефіцієнт відведення теплоти KF повний коефіцієнт теплових втрат UL (Вт/м2∙К) і коефіцієнт корисної дії (ККД) ηк. Величина (ατ) залежить від матеріалу, його поглинальної здатності, від кута падіння сонячних променів α на його поверхню.
Коефіцієнт КF враховує нерівномірність розподілу температури поглинаючої поверхні, а також залежить від конструкції колектора та витрати теплоносія і майже не залежить ви густини потоку сонячної радіації, температур поверхні поглинання і довкілля.
ККД (ηк) сонячного колектора - відношення корисної енергії, одержаної колектором, до енергії сонячних променів, які падають на його площину.
Розглянемо
конструкції плоских сонячних колекторів
в порядку
зростання їх ефективності:
а - відкритий резервуар на поверхні грунту. Тепло легко відходить у грунт;
б - відкритий резервуар, ізольований від грунту. Чиста вода не є хорошим поглиначем, втрати тепла відбуваються внаслідок випаровування;
в - чорний резервуар. Використовується для підігріву води, характеризується великими втратами тепла, особливо у вітряну погоду, і неможливістю накопичення нагрітої води на ніч; г - чорний резервуар з ізольованим від грунту дном. Втрати тепла відбуваються через верхню і бокові частини, тому тепловтрати всього в 2 рази нижче, ніж у попередньому випадку; д - чорний резервуар в контейнері зі скляною кришкою. Використання поліетиленових кришок дешевше, але вони швидко руйнуються на сонці; е - металева пластина з трубками і заповнена водою плоска ємність. Стандартний промисловий приймач; нагрівана рідина протікає крізь приймач і накопичується в спеціальному резервуарі. Заповнена водою пластина більш ефективна, ніж пластина з трубками, є - пластинчастий приймач з подвійним скляним покриттям.
ж - селективна поверхня, αshort>>εlong, радіаційні втрати нижче (поглинається сонячне випромінювання, ослаблене випромінювання);
з-вакуумовананий приймач. Рідина у чорній внутрішньої трубці, скляна зовнішня трубка. Немає конвективних втрат через зовнішню поверхню.
Розглянемо детальніше останні чотири типи плоских сонячних колекторів оскільки, вони є найбільш ефективними.
Плоскі сонячні колектори є найбільш поширеним типом сонячних колекторів. Слід зазначити, що в результаті тривалого вдосконалення колектори даного типу практично досягли найбільш оптимальних показників ефективності терміну експлуатації та вартості.
Конструкція плоского сонячного колектора
Так як основна інтенсивність сонячного випромінювання в наземних умовах знаходиться в спектральному інтервалі 0.4 мкм-1.8мкм, то в якості прозорого верхнього шару використовується звичайне або загартоване скло, що має коефіцієнт пропускання в цьому спектральному діапазоні до 95%. Розташоване в нижній частині колектора теплопоглинаюче покриття має коефіцієнт поглинання сонячного випромінювання до 90%. Нагріваючись, покриття випромінює теплову енергію, основна потужність якої знаходиться в інфрачервоному діапазоні. Даний спектр випромінювання вже практично не пропускається склом.
Таким чином, досягається акумуляція сонячної енергії всередині колектора. Передача теплоти до теплоносія здійснюється за допомогою конструктивних елементів, виконаних, як правило, з алюмінію або міді. Відведення теплоти здійснюється теплоносієм - водою або розчином незамерзаючої рідини. Крім звичайного скла, в плоских сонячних колекторах також може використовуватися полікарбонат, скло з низьким вмістом заліза, яке добре пропускає сонячні промені, ударостійке скло.
Важливою характеристикою сонячних колекторів є виробництво гарячої води з 1 м2 поверхні. Для України, в літній сонячний день продуктивність плоских колекторів може досягати 50 літрів води, нагрітої до 50 - 60 оС з 1 м2 у день. Переваги: - висока ефективність; - відносна простота конструкції; - надійність; - можливість ефективної експлуатації на протязі всього року; - тривалий термін експлуатації. Недоліки: - більш низький ККД у порівнянні з вакуумними колекторами в періоди з низьким рівнем сонячного випромінювання і в холодну пору року. Плоский сонячний колектор є технічно досить простим пристроєм. Найбільш високотехнологічним елементом у його конструкції є поглинаюче покриття. Очевидно, що для підвищення ефективності роботи колектора необхідно, щоб покриття поглинало більшу частину енергії падаючих сонячних променів, а при нагріванні випромінювало як можна меншу частину поглиненої енергії в інфрачервоному спектрі. На практиці найпростішим є варінт покриття приймача з міді шаром Cu2O товщиною 3 мкм (поглинається 95% випромінювання).
Для оцінки ефективності поглинаючих покриттів застосовуються наступні показники:
коефіцієнт поглинання (абсорбації), а - зазвичай знаходиться в межах 0,8-0,98. Даний коефіцієнт представляє собою відношення поглиненої енергії до падаючої;
коефіцієнт випромінювання (емісії), e - зазвичай у межах 0,95 - 0,02 для різних типів покриттів. Даний коефіцієнт представляє собою відношення випромінювань енергії до поглиненої;
коефіцієнт селективності, a / e, застосовується для порівняння характеристик різних видів поглинаючих поверхонь. Чим вище значення цього коефіцієнта, тим кращими характеристиками володіє поглинаюча поверхня.Сучасні високоселективним покриття мають дуже високими значеннями коефіцієнта селективності, значно підвищуючи тим самим ККД сонячних колекторів. До того ж, лише колектори оснащені покриттями такого типу можуть ефективно працювати в холодний період року внаслідок набагато меншої залежності ККД від різниці температур.
Сонячні колектори на основі вакуумних трубок. Конструкція сонячних колекторів на основі вакуумних трубок досить складна, основним їх компонентом є скляні вакуумні трубки. Зовнішня труба зроблена з прозорого надміцного боросилікатного скла, яке витримує удари граду діаметром 25 мм. Внутрішня труба також виготовлена з прозорого боросилікатного скла, покрита спеціальним селективним покриттям, яке забезпечує відмінне поглинання тепла з мінімальним відбиванням. Для уникнення кондуктивних та конвективних тепловтрат в геліоколекторі з простору між двома трубами викачене повітря та утворений вакуум. Для підтримання вакууму між двома скляними трубами використовується газопоглинач. При виробництві сонячних колекторів газопоглинач потрапляє під вплив високих температур, внаслідок чого нижній кінець вакуумної трубки сонячного колектора покривається шаром чистого барію. Цей шар барія поглинає СО, СО2, N2, O2, H2O та Н2, які виділяються з труби в процесі зберігання та експлуатації вакуумного колектора, підтримуючи таким чином стан вакууму.
Шар барія також являється чітким візуальним індикатором стану вакууму в сонячному колекторі. Коли вакуум зникає, барієвий шар із срібного стає білим. Це дає можливість легко визначити, чи справна труба.
Трубка вакуумованого приймача Теплообмін в сонячному колекторі на основі вакуумних трубок
Де - 1 - покриття зі скла; 2 - вакуум; 3 - селективне покриття на поверхні
внутрішньої скляної стінки; 4 - рідина; 5 - випромінювання; 6 - конвекція,
7 – випромінювання.
Сонячні колектори з вакуумними трубками показують відмінні результати також в похмурі дні, тому що труби здатні поглинати енергію інфрачервоного проміння, яке проходить через хмари. Завдяки ізоляційним властивостям вакууму вплив вітру та низьких температур на роботу сонячного водонагрівача також незначний в порівняні з впливом на плоский колектор. Скляні вакуумні трубки геліоколектора укладені паралельно; кут нахилу залежить від географічної широти даної місцевості. Форма трубок забезпечує відмінну степінь поглинання вакуумними сонячними колекторами в порівняні з плоскими сонячними колекторами внаслідок цілого ряду причин, а саме:
1. Трубка вакуумного сонячного колектора кругла, тому сонячні промені завжди попадають на поверхню труби під прямим кутом, зводячи відбивання до мінімуму.
2. Якщо поверхня сонячного колектора плоска, то кількість сонячного випромінювання, яке на нього потрапляє, досягає свого максиму лише о півдні, коли сонце знаходиться прямо над геліоколектором.
Вакуумні трубки круглі, як наслідок, кількість сонячного випромінювання, яке потрапляє на сонячний водонагрівач, залишається достатньо постійною з середини ранку до середини дня. Завдяки цьому загальна кількість поглинутого сонячного випромінювання зростає. Більше того, кут падіння сонячних променів завжди перпендикулярний поверхні труби сонячного колектора, та відбивання, таким чином, зменшується.
Звичайна теплова труба із неорганічного скла складається з описаної вище скляної вакуумної трубки, в яку вставлена мідна теплова труба. Мідна теплова труба передає тепло із вакуумної трубки в наконечник (конденсатор) сонячного колектора, який вставляється в трубу теплозбірника, розміщеного всередині теплопроводу. Далі тепло від мідної теплової трубки передається теплоносію (антифризу), який тече через трубу теплозбірника сонячного водонагрівача.