19, Вьібор материалов для солнечньїх установок

По сравнению с обьічньїми системами теплоснабже­ния солнечньїе установки требуют более тщательного проектирования, конструирования злементов, монтажа и зксплуатации. Для обеспечения надежной и зффектив- ной работьі солнечньїх установок в течение всего рас- четного периода необходимо осуществить правильний вьібор гелиотехнического оборудования и материалов для его изготовления и произвести качественно работн по установке и монтажу оборудования.

Материальї для изготовления корпуса солнечного кол­лектора. Основними елементами активной гелиосистеми являются коллектор солнечной знергии и аккумулятор теплоти. Для изготовления зтих злементов системи ИС- пбльзуются различнне материали — металли, пластмас- сьі, стекло, бетон, дерево, полимерная пленка, теплоизо- ляционньїе материальї, резина. Основним требованием к вибору материалов является требование совместимо- сти конструкционньїх материалов с рабочими жидкост'я- ми при условиях зксплуатации. Особенностью работн солнечньїх коллекторов является воздействие на них внешней средьі. Позтому корпус коллектора, вмещающий такие конструктивньїе злементьі, как лучепоглощающая поверхность с трубами или каналами для теплоносителя, остекление, тепловая изоляция, должен надежно защи- щать их от воздействия внешней среди, предохраняя от попадання влаги, пили, вредньїх веществ.

Корпус коллектора может бить изготовлен из оцин- кованного железа, алюминия, стеклоткани, дерева, кау- чука, композиционних материалов я др. Вьібор мате­риала осуществляется в соответствии с конструкцией И с уяетом наличия материала. Так, для вакуумированщго солнечного коллектора требуются труби из вьісококйче- ственного боросиликатного стекла.

Все материальї, используемие для изготовления зле­ментов коллектора, должньї видерживать максимальне и минимальнне рабочие температурьі. Внутри корпуса коллектора должно бнть предусмотрено свободное гіро- странство для расширения абсорбера, температура кото- рого может достигать 200 °С и более (при отсутствии теплоносителя).

Материальї для лучепоглощающей поверхности кол­лектора. При виборе конструкционннх материалов для изготовления злементов гелиосистем необходимо учитн- вать их совместимость с рабочими жидкостями. При зтом для предотвращения коррозии необходимо учитнвать следующие рекомендации.

Алюминий нельзя приманять в случае прямого контакта с водопроводной водой (рН=5-=-9) без ее хи- мической обработки и добавлення ингибитора коррозии. Он может применяться при прямом контакте с дистил- лированной или деионизированной водой, содержащей ингибитор коррозии при условии отсутствия контакта с железом или медью, которьіе, обладая менее положи- тельннм злектродним потенциалом, образуют с алюми- нием гальванические пари. Кроме того, алюминий мо­жет работать с безводними органическими жидкостями. Скорость води и водних растворов в трубопроводах не должна превьішать 1,25 м/с.

Медь и ее сплави можно применять при пря­мом контакте с дистиллированной и деионизированной водой или с водопроводной водой с низким содержанием хлоридов, сульфатов и сульфидов, а также с безводними органическими жидкостями. Медь нельзя применять в следующих случаях:

1. при прямом контакте с водними растворами с ви­соким содержанием сульфида водорода, хлоридов и суль­фатов;

2. при прямом контакте с водой и с водними раство­рами при скорости их движения более 1,25 м/с и при pH до 5.

Сталь рекомендуется применять при прямом кон­такте с дистиллированной и деионизированной водой или с водой, содержащей ингибиторьі коррозии (рН=8-~12), при низком общем солесодержании. Ее нельзя применять в прямом контакте с необработанной водопроводной во­дой, дистиллированной или деионизированной водой с pH более 12 или pH до 8.

Оцинкованную сталь (железо) следует применять для внутренней обшивки аккумуляторов теп­лоти с катодной защитой и с безводними органическими жидкостями. Ее нельзя применять в прямом контакте с водой и водними растворами, содержащими ионн меди или имеющими pH более 12 или pH до 8, а также при температуре водн вьіше 55 °С.

Нержавеющая сталь должна обладать висо­ким сопротивлением к питтинговой коррозии, межкри- сталлитной коррозии и коррозионному растрескиванию в рабочих средах. Ее можно применять при контакте с безводними органическими жидкостями. Во всех ос- тальних случаях внбор- марки нержавеющей стали дол­жен бить основан на ее совместимости с конкретной жид- койсредой.

Пластмасса, резина, каучук, компози- ц ионн не материали хорошо совместимн с жид- кими теплоносителямл — водой и другими жидкостями, Однако масштаби их применения в гелиотехнике пока невелики.

Материали должнн обладать следующими характе­ристиками:

хорошей устойчивостью к воздействию ультрафиоле- тового излучения и атмосферних факторов — осадков, загрязнений и т. п.;

способностью вндерживать колебания температур от —25 до 150 °С;

достаточной механической прочностью и пожаро- безопасностью.

Недостатки пластмасс: деградируют под действием ультрафиолетового излучения и не вндерживают висо­ких температур, которие могут развиться при отсутствии теплоносителя в коллекторе.

Вьіпускаемьіе в СССР плоские коллекторьі солнечной знергии имеют низкие оптико-теплотехнические характе­ристики, отличаются большой удельной массой (50— 60 кг/м² при изготовлении КСЗ из стального штампован- ного радиатора в стальном корпусе и 40 кг/м² в алюми- ниевом корпусе). Если применять пластмаеси, каучук, резину и композиционнне материальї, то масса коллекто­ров уменьшится до 5—10 кг/м². В ФРГ и Франции вьі- пускаются КСЗ из сиятетического каучука и оребренньїх пластмассовьіх труб, вндерживающих как низкие (до —30 °С), так и внсокие (до 110—140 °С) температури, не портящихся под действием ультрафиолетового излу­чения, имеющих високую зффективность и низкую стои­мость. Себестоимость 1 кВт-ч производимой в пластмас- совьіх КСЗ теплоти в 10—12 раз ниже, чем в металли- ческих, и в 4—5 раз ниже, чем при сжигании жидкого топлива или при использовании теплового насоса.

Очевидно, нужно направить усилия на производство новнх типов солнечньїх коллекторов из современньїх ма­териалов, включая полимерньїе и композиционние мате­риальї. В низкотемпературних солнечннх установках, предназначенннх для получения горячей водн в индиви- дуальньїх жилнх домах, дачннх поселках и на сельеко- хозяйственннх обгектах, а также для обогрева плава- тельннх бассейнов, целесообразно использовать пласт- массовне коллекторн. Некоторне конструкции подобних коллекторов будут описаиьг ниже.

Материал прозрачной изоляции солнечньїх коллекто­ров. Прозрачная изоляция предназначена для снижения теплових потерь КСЗ и предотвращения попадання осадков внутрь него. Обнчно используется один или два слоя прозрачной изоляции КСЗ, но могут также приме- няться КСЗ без прозрачной изоляции, а иногда и КСЗ с тремя слоями изоляции. Материал прозрачной изоля­ции должен обладать внсокой пропускательной способ­ностью для солнечной радиации (длина волн от 0,3 до

5. мкм) и бить практически непрозрачньїм для длин^о- волновОго (более 3 мкм) теплового излучения, испускае- мого поверхностью абсорбера.

Обьічно используется оконное стекло. Лучше всего применять стекло с низким содержанием оксидов желе- за. Стекло должно бить изолировано от металлических поверхностей с помощью резиновой П-образной проклад­ки и уплотнения во избежание его повреждения или об- разования трещин в результате возникновения теплових напряжений.

Альтернативним материалом прозрачной изоляции является полимерная пленка, обладающая, к сожалению, сущесгвенньгм недостатком, связавннм с деградацией под действием ультрафиолетового излучения. Однако,

учитьівая ее низкую стоимость, ее все же целесообразно применять. Више бьіли описаньї конструкции гелиосуши- _ лок с применением полимерной пленки. В последующих разделах будет дана дополнительная информация по при- менению полимерннх материалов для изготовления кол­лекторов. Полимерная пленка лучше (по сравнению со стеклом) пропускает солнечиое излучение, позтому при двухслойной прозрачной изоляции можно один слой стек­ла заменять полимерной пленкой. Для повьішения срока службьі пленки ее необходимо специально обработать с целью повьішения стабильности по отношению к воз- действию ультрафиолетового излучения.

Теплоизоляционние материальї для коллекторов. Теп- лоизоляционньїй материал должен отвечать следующим требованиям. Он должен иметь низкий козффициент теп- лопроводности Я, низкую плотность р, високую темпера­туру плавлення, високую сопротивляемость различньїм вредним воздействиям и влиянию погодньїх условий. Наилучшими теплоизоляционньїмц материалами являют­ся пенополиуретан и .ролистирол, могут применяться так­же минеральная вата и стекловата.

Характеристики некоторих наиболее употребительннх в конструкциях коллекторов теплоизоляционннх мате­риалов приведень! в табл. 9.

Таблица 9. Теплоизоляционние материальї Материал	X, Вт/ (м. K)	Т, °С	р, кг/м*
Полистирол	0,035	80	0,02
Пенополиуретан	0,028	ЮО	0,035
Пенопласт	0,03-0,08	150	0,4—0,7
Поливинилхлорид	0,035	130	0,04—0,08
Полиметакриламид	0,029-0,035	160	0,03—0,2
Минеральная вата	0,038	200	0,145
Стекловолокно	0,036	300	0,12

Уплотнительнне материальї и проклад­ки. Для уплотнения стекла в корпусе солнечного кол­лектора лучше всего подходит силиконовая резина. Уп­лотнительнне прокладки необходимо помещать с обеих сторон стекла. Для зтого прокладка должна иметь П-об- разную форму с зазором для стекла.

Материал ьі селективних покритий. В гл. 5 подробно описанн селективнне поглощающие по­крнтия для лучепоглощающей поверхности солнечного коллектора и способи их получения. Более детальние сведения содержатся в специальной литературе.

Теплоносители для солнечньїх кол­лекторов (табл. 10). В жидкостннх системах горя-

Табли ца 10. Свойства теплоносителей для КСЗ (при 20°С) Показатель					Ч о		a *		О О ю 0 X	Углеводороди
	Вода		j Воздух		а> А ч £8		; ПрОПИІ 1 глнкол , (50 %)	Силико масло	аром ати- ческие1	парафи- новьіе
Температура замерзання Гзам, °С		0		—		—36		—33	—	-60 Ч- Ч--Ю	—
Температура КИПЄНИЯ Т'кап, °С		100				110		106		180-340
Удельная теп­лоемкость Ср, кДж/(кг-К)		4,187		1,005		3,3		3,6	1,4—2	1,5-2,1	1,8—2,6
Тешіопровод- ность X, Вт/(м-К)		0,68		0,026		0,43		0,42	0,16	0,13	0,13
Вязкость, V, 10~® ма/с		0,9		16,06		3,4		5	10— 50	9-50	1-60

чего водоснабжения и отопления в качестве теплоноси­теля в солнечном коллекторе используются в основном вода или незамерзающая жидкость—антифриз. В воз- душннх системах применяются коллекторн, в которьіх нагревается воздух. Вода как теплоноситель имеет опре- деленньїе преимущества и недостатки в сравнении с воз­духом. Вода имеет хорошие теплофизические свойства (теплоемкость, козффициент теплопроводности, вязкость, плотность), однако при отрицательньїх температурах на­ружного воздуха она замерзает в трубопроводах и других елементах гелиосистеми. Позтому необходимо принимать мери по предотвращению ее замерзання. Серьезную про­блему представляет коррозионная активность водьі по отношению к большинству конструкционньїх материалов. Воздух не замерзает и не внзьівает коррозии, но его теп- лофизичсские свойства значительно уступают воде. Раз- мерн воздуховодов и каналов для потока воздуха намно- го больше размеров конструктивних злементов жидкост- ньіх систем. Кроме того, вентилятори в воздушньїх системах потребляют большое количество знергии и соз- дают шум. Воздушньїй поток должен омивать всю по­верхность абсорбера для обеспечения зффективного теп- лообмена с лучепоглощающей поверхностью.

В жидкостннх системах наряду с водой используются также незамерзающие теплоносители — зтилен- и про- пиленгликоль и др. Их недостатком является малий срок службьі (до 3—5 лет). Пропиленгликоль в отличие от зтиленгликоля не токсичен. Токсичность водьі зависит от вида применяемого ингибитора коррозии. Углеводород- ние теплоносители мало токсични. Не следует применять фреони, поскольку они разрушают озонний слой атмо­сфери Земли.

Свойства некоторнх материалов для изтотовления гелиосистем, а также селективних поглощающих покри­тий приведена в табл. 11 и 12.

Материальї для аккумуляторов теплоти. Достаточно подробное описание методов аккумулирования теплоти,

Таблица 11, Свойства материалов для гелиосистем Материал	С, кДж/ (кг-К)	р, кг/м»	А, Вт/(м-К)	а	8
	Строительньїе материальї
Бетон	0,834	1920—	0,8—	0,6—	0,88т-
		2240	1,73	0,98	0,97
Кирпи?	0,921	1920— 2080	0,6—1,3	0,26— 0,89	0,93
Древесина	2,51— 2,93	350—740	0,1- 0,16	0,6	0,9
Керамическая плитка	0,8	Металлм	1,7-2,9	О То 1 о 00	0,6-0,9
Сталь	0,5	7830	45	0,8—0,9	0,85
Железо окислен- ное Алюминий:	0,5	7 10	55	0,8- 0,94	0,94
гголированний	0,88	2740	202	0,1—0,4	0,03 0,09
окисленннй	0,88	2740	202	0,4- 0,65

Т а б л и ц а 12. Характеристика основних селективних поглощающих покритий	Поглощательная	Излучательная
	способность	способность	Степень
Покрьітие	в диапазоне	в дяаназоне	селективносте
	солнечного	инфракрасного	ПОКрМТНЯ
	излучения а„ с	излучения вт
Черная краска:	0,95—0,98	0,9-0,97
матовая			і
силнконовая	0,94	0,4	2,35
акриловая	0,92—0,97	0 00 4*- 1 о	1,1
Черннй хром	0,87—0,93	0,1	9
Черньш хром на	0,92—0,94	0,07—0,12	8-13
никеле
Черннй никель на	0,93	0,06	15
никеле
Черннй цинк	0,9	0,1	9
Оксид меди на	0,93	0,11	8,5
алюминии

а также теплоаккумулирующих материалов, применяе- мнх в жидкостннх и воздушннх гелиосистемах горячего водоснабжения и отопления, дано в § б, а в табл. 4 дана сравнительная характеристика зтих материалов. Для во- донагревательннх установок и жидкостннх систем отоп­ления лучше всего 'применять воду в качестве теплоак­кумулирующего материала, а для воздушннх гелиосис­тем—гальку, гравийит. п. Однако следует иметь в виду, что галечннй аккумулятор при одинаковой знергоем- кости по сравнению с водяньїм аккумулятором имеет в 3 раза больший обгем и занимает в 1,6 раза больїііую площадь. Например, водяной аккумулятор диаметром

5. и внсотой 2,4 м имеет об-ьем 4,3 м³, в то время как галечннй аккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет обьем 13,8 м³.

Плотность аккумулирования теплотн в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода ве­щества. Она может бнть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При зтом плотность аккуму­лирования соответствует теплоте сгорашія: нефть — 11,3, уголь (условное топливо) —8,1,водород — 33,6 и древеси- на — 4,2 кВТ"Ч/кг. При термохимическом аккумулирова­нии теплоти в цеолите (процессн адсорбции — десорб- цин) может аккумулироваться 286 Вт-ч/кг теплотн при разности температур 55 °С. Плотность аккумулирования теплоти в твердих материалах (скальная порода, галь­ка, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60 °С составляет 14—17Вт-ч/кг, а в воде — 70Вт-ч/кг. При фазових переходах вещества (плавление — затвердева- ние) плотность аккумулирования значительно више: лед (таяние)—93, парафин — 47, гидратьі солей неоргани- ческих кислот — 40—130 Вт-ч/кг.

Свойства теплоаккумулирующих веществ приведень! в табл. 13 и 14.

Таблица 13. Свойства твердих и жидких теплоаккумулирующих материалов Материал	р, кг/ма	С, кДж/ (кг-К)	Я. Вт/ (м • К)	- Теплоакку- мулирующая способность при дг=20 к. МДж/м*
Вода (давление 0,1 МПа)	1000	4,19	0,6	73,4
Камень (природний)	3100	0,83		52,6
Бетон (с легкими запол-	1000	1,04	0,35	20,9
нителями) "
Железобетон	2200	1,08	1,56	47,5
Кирпич	1700	0,83	0,75	27,4
Древесина	800	1,65	0,21	25
Сталь	7800	0,47	58	73,4
Песок сухой	1500	0,83	0,58	25
Земля сухая	1000—	0,83	0,17—	16,6—50,4
Г алька	2000 2640	0,86	0,58 1,7-4	45,6
Жидкий натрий	960	1,26	67,5	24,2
Звтектическая смесь	1733	1,55	0,57	53,6
(46% NaNOs + 54% KN03)
Вода (давление 1 МПа)	920	4,32	0,69	79,5

Аккумулирование теплоти может осуществляться также в грунте, в частности, зтот способ аккумулирова­ния применяется в теплицах.

В качестве материала для изготовления бака-аккуму­лятора обьічно используют сталь или бетон. Бункер для слоя гальки может бнть изготовлен из зтих же материа­лов. Однако он также может бить изготовлен из толстой фанери (12 мм) или досок, а каркас при зтом делают из стального уголка. Изнутри обшивка должна иметь по- крнтие из полимерной пленки для обеспечения герметич­носте. В случае горизонтального расположения галечного

Вещество	Т . ПЛ °С	р, г/см*	Вт/(м•К)	С, кДж/ (кг-К)	Знтаіьпия фазового перехода
					кДж/кг	МДж/м*
1	2	3 | 4	5 | 6	7 | 8	9	10
CaC І.-6Н.О NajSO.-lOH.O Na3HPO, ■ ]2HjO	32,4 35.2	Неоргані 1,62 1,5 1,46 1,41 — 1,42	іческие веп 0,6 0,3 0,5 0,3 0,5	(єства 1,47 1,47 1,76 3,31 1,55 3,18	172,5, 251 279	258.1 345.2 403.2

Таблица 14. Свойства теплоаккумулирующих веществ фазового перехода

Лаурнновая

Миристиновая

Пальмитиновая

Стеариновая

159,6

162,8

162,9

191

22	0,9	0,77	0,3	0,2	2,91		187,8
28		0,79	—	0,1	2,1	2,17	244,2
36,7	0,86	■0,78	—	0,2	2,01	2,21	247

Парафин

Октадекан

н-Зйкозан

Парафини

144

194,1

192

Примечание. Свойства твердой фазьі даньї в графах 3, 5 и 7, а жид- кой —в гррфах 4, 6 и 8.

Органические кислоти 44		0,91	0,4	0,2			175,3
54,1	—	0,87		—	1,6	2,26	187,8
65	—	0,88		—	1.8	2,73	184,5
70,1	—	0,95	—	0,2	1,67	2,3	200,3

аккумулятора сверху на слой гальки необходимо поло­жить полимерную пленку, а на нее насьшать слой песка толщиной около 5 см. Зто делается для того, чтобьі предотвратить движение воздуха над слоем гальки. Кро- ме того, при большой длине аккумулятора необходимо установить вертикальную перегородку, которая обеспе- чит хорошее омьівание частий гальки потоком воздуха.

Стоимость теплоаккумулирующих материалов изменя­ется от 0,01 для гальки и 0,02 для бетона до 0,57 руб/кг для жидкого натрия. Стоимость водьі принимается рав- ной 0.

20. ИЗГОТОВЛЄНИЕ И МОНТАЖ СОЛНЕЧНЬЇХ КОЛЛЕКТОРОВ

Коллекторьі солнечной знергии, как правило, изготов- ляются в заводских условиях, а на месте они монтиру- ются на опорной конструкции. Однако простьіе коллек-

торьі можно изготовить собственньши силами, хотя сле­дует иметь в виду, что их зффективность будет не СЛИІД- ком високой. Основним злементом солнечного коллек- тора является абсорбер, т. е. лучепоглощающая поверх­ность. Конструктивное вьіполнение абсорберов различньїх типов для жидкостннх и воздушньїх коллекторов пока­зано на рис. 10 и 11. В жидкостннх коллекторах наибо- лее часто используется лучепоглощающая поверхность, представляющая собой ряд трубок небольшого диаметра (10—15 мм), соединенньїх с плоским ребром (листом). Трубки могут располагаться сверху, снизу или в плоско­сти листа. Трубки присоединяются к верхнему и нижне- му гидравлическим коллекторам. В других конструкциях используются соединенньїе между собой плоский и гофри- рованннй листи с каналами для теплоносителя либо штампованннй абсорбер. В воздушннх коллекторах лу- чевоспринимающая поверхность обьічно представляет со­бой плоский лист с оребрением или без него, омиваемьій потоком воздуха снизу, сверху или с обеих сторон.

Для зффективной и надежной работьі коллектора в те­чение длительного срока важное значение имеет правиль­ний вибор материала для изготовления абсорбера, о чем говорилось внше. Не менее важно обеспечить хороший тепловой контакт между трубками и оребрением. Ребро может бьіть приварено, припаяно и присоединено к труб­кам с помощью хомутиков или пружинящих прижимов. Конечно, наилучший способ соединения — сварка или пайка. Способ и качество соединения трубок для тепло- носителя с лучепоглощающим листом сильно влияют на его тепловую зффективность, которая зависит от многих конструктивних факторов.

Корпус коллектора должен бнть герметичним и не должен допускать утечки теплоносителя и попадання вла- ги и пили внутрь коллектора. Для зтого остекление долж­но бнть надежно уплотнено. Примери конструктивного внполнения уплотнения узлов соединения лучепоглоща­ющей поверхности и остекления с корпусом показаньї на рис. 73.

На рис. 73,а показана конструкция уплотнения двух- слойного остекления жидкостного солнечного коллектора. Стекло уплотняется с помощью П-образной прокладки из силиконовой резиньї. Для обеспечения необходимого воз- душного зазора толщиной 15—25 мм между слоями ос­текления используется деревянвая илн пластмассовая

вставка. При сборке коллектора остекление зажимается между деталью корпуса коллектора и прижимной крнш- кой. Форма зтих двух деталей обеспечивает фиксацию их взаимного расположения и положення остекления. Они соединяются с помощью винтов.

На рис, 73, б показан вариант крепления солнечного коллектора на крьіше дома. Коллектор содержит луче- поглощающую поверхность с трубами для теплоносителя,

?77//7^У77/77777У,

W

Рис. 73. Конструкции уплотнения двухслойяого остекления (а) и креиления солнечного коллектора (б) на крьіше дома:

в: І — стекло; 2 — уплотнеше; 3 — вставка; 4 — корпус коллектора; S — криш­ка; 6 — винтовое соединение; б: і — абсорбер: 2 — теплоизоляция; 3 — стекло; 4 — уплотнение; S — штампованная деталь; 6 — накладка; 7 — винтовое соеди- нение; 8 — балка; 9 — стропило; 10 — покровннй материад криши; // —доска; 12 — уголок; 13 — винтовое соединение

г і vzzzzm/ /

теплоизоляцию и однослойное остекление. Стекло поме- щается между двумя резиновьіми прокладками на полке фигурной детали корпуса и прижимается с помощью на­кладки и бинтового соединения. Коллектор крепится к строительной конструкций крьіши, включающей дере- вянную балку и стропило. Покровннй материал криши закрепляется на досках с уплотнительньши уголками и резьбовнм соединением.

На рис. 74 представленій схеми подвода и отвода жид- кого теплоносителя в коллектор, абсорбер которого вн- полнен из ряда трубок (а и б) или из змеевика (в). Со- единение по схеме б менее удачно, чем по схеме а, так

"*"^в>

І і

Рис. 74. Схемьі соединения труб в КСЗ:

а— Z-образная схема; б — центральний подвод и отвод водьі; в — змеевик

как не обеспечивает равномерного распределения жидко­сти по трубкам. В змеевике (схема в) должен бить ук­лон, обеспечивающий вьітеснение воздуха при его запол- нении водой.

Конструктивное исполнение жидкостного штампован- ного коллектора показано на рис. 75. Коллектор может иметь большие размерьі, и в нем предусмотрен уклон верхнего и нижнего гидравлических коллекторов для удаления воздуха. Толщина листа 1—1,5 мм, площадь поперечного сечения канала для теплоносителя 10X2 мм, а размерьі сеченйя гидравлических коллекторов 25X3 мм.

Коллектор солнечной знергии может содержать не­сколько отдельннх модулей, соединенннх параллельно. Для обеспечения равномерного распределения жидкого теплоносителя необходимо использовать схемьі соедине­ния, показанньїе на рис. 76, а и б, или устанавливать на

а1

Л

.80

ЗО

Рис. 75. Конструкция штампо- ванного жидкостного сблнечно- то коллектора:

1 — остекленний теплоизолирован- ньій корпус; 2 — канал для тепло­носителя; 3 — подвод теплоноси­теля; 4 — отвод теплоносителя

каждом ответвлении регулирующий вентиль (рис. 76,в). При большом числе модулей в КСЗ обьічно осуіцествля- ется их параллельно-последовательное соединение.

Схемн параллельного соединения больЩого числа мо­дулей плоских и вакуумированннх (с тепловой трубой) коллекторов показаньї на рис. 77. Весь массив КСЗ раз

-

'/		//		-2	'/
	'/							У/

сз З LJ Л. У/		//
	//

LZL

7

в)

6)

а)

Рис. 76. Схеми соединения модулей КСЗ: і — подвод водьц 2 —- модуль; З — отвод води; 4 — регулирующий вентиль

бивается на несколько подмассивов, состоящих из опре- деленного числа рядов, включающих по пять—десять модулей. На рис. 77 показан подмассив из 50 модулей КСЗ, разделенннй на десять рядов по пять модулей в каждом.

Коллекторьі солнечной знергии могут буть установ- ленн на крнше дома, на земле, на козьірьке над окном или на навесе для автомобиля (рис. 78). Целесообразно устанавливать коллектор в плоскости наклонной криши в случае, если угльї наклона криши и КСЗ совпадают

.При монтаже КСЗ на горизонтальной крьіше КСЗ уста- навливают на опорной конструкции, обеспечивакмцей оптимальний угол наклона. Коллектор может служить ограждением балкона (рис. 79) или бить частью стени.

Возможнн различньїе вариантьі размещения солнеч-

ГВ ГВ

Рис. 77. Схемн параллельного соединения плоских (а) и вакуумиро- ванних (б) солнечннх коллекторов:

$ — модуль КСЗ; 2 — трубопровод холодной водьі; З— ответвление к груипе КСЗ; 4 — сборньїй трубопровод горячей водьі; б — обіцяй трубопровод горячей

водм

ного коллектора на крьгше (рис. 80). Коллектор совме- щается с южньїм склоном крьіши (а), составляет часть южной стенн (б), размещается вертикально за стеклян­ной частью крьіши (в) или устанавливается на опорах на крьіше и на балконе (г). Вариант а используется для горячего водоснабжения, остальньїе — для отопления, так как в системе отопления угол наклона коллектора должен бьіть большим. Для увеличения поступлення солнечного излучения на коллектор применяется плос­кий отражатель (б и г). Бак аккумулятор для горячей води может размещаться на чердаке.

Совмещение коллектора с кришей дает следующие

Рис. 78. Варнантн установки солнечних коллекторов:

о —на земле; 6 — на крьіше дома; в — на навесе для автомобиля: г — как

часть стеніи

преимущества: удешевляется строительство, так как кол- лектор заменяет крншу и не требуется специальная опор­ная конструкция; снижаются теплопотери коллектора, так как его нижняя поверхность и соединительнме труби не контактируют с наружньїм воздухом, однако усложня- ются монтаж и ремонт. Недостатком является также то, что угол наклона крьіши может не совпадать с оптималь­ним углом наклона коллектора. При свободной установ- ке коллектора или гелиоуетановки в целом облегчается монтаж и ремонт, обеспечивается оптимальная ориента- ция и наклон коллектора, но требуется устойчивая опор­ная конструкция, а зто повьішает стоимость строитель- ства, увеличивает теплопотери от коллектора и труб и при зтом не всегда удается удовлетворить зстетцчес- кие требования при размещении гелиоуетановки на крн- ше дома.

При прохождении труб через крнщу или стену отвер> стия должньї бнть тщательно уплотненн. Осуществляя

Рис. 79. Солнечньїе коллекторн — ограждение балкона

монтаж КСЗ, следует соблюдать мерьі предосторожно- сти, чтобьі не повредить остекление.

На рис. 81 показан пример расположения солнечно­го коллектора на крьіше жилого дома. Обращает на себя внимание рациональное архитектурное решение, обеспе- чивающее хорошее зстетическое восприятие гелиосис- темьі.

Крнша должна вндерживать вес гелиоустановки. Для уменьшения локальной нагрузки под ножки опорной конструкции подкладьівают настил или швеллерьі. При

Рис. 80. Вариантм размещения солнечного коллектора на крншс:

а — совмеїдение с кровлей; б — на южной стене с отражательной поверхно- Стью; в — на чердаке с остекленной кришей; г — на опорной конструкции и на балконе; / — коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — отражательная поверх­ность; 4 — остекленаая крьгша; 5—ограждение балкона

необходимости несущая способность крьіши должна бьіть усилена, Гелиоустановка должна бить надежно закреп- лена с помощью проволочньїх растяжек, анкерних болтов (заделанннх в бетонное основание), чтобьі она могла видерживать ветровую нагрузку. Размещать гелиоуста- новку следует ближе к конь^у в центре крьіши. Все от- верстия для труб должньї бьіть тщательно уплотненьї, чтобьі в дом не попадала влага.

Рис. 81. Жилой дом с солнечньши коллекторами на крьіше

Современная тенденция состоит в разработке коллек­торов с малой удельной массой и хорошими оптико-теп- лотехническими характеристиками. При зтом легко осу- ществляется их монтаж. Примером может служить кол­лектор МЕГА, разработанньїй совместно Швецией и Канадой. Особенностью коллектора является применение сворачиваемого в рулон абсорбера, представляющего со­бой медную трубку с алюминиевьім ребром с селектив­ним покритием. Он может иметь большие длину (до 100 м) и поверхность (до 250 м²). На место монтажа сол­нечной установки абсорбер поставляется в виде рулона, а там он «разматнвается» и монтируется в корпусе. Тех- нология монтажа демонстрируется на рис. 82. Вначале (І) анкерними болтами закрепляют опорную конструк- цию и подкладьівают резиновую надувную подушку под корпус коллектора. Затем на закрепленннй в корпусе слой тепловой изоляции укладьівают разматьіваемьіе по-

лосьі абсорбера, которие предварительно «раздувают». На атом же зтапе (2) производят механическое соеди- нение медньїх трубок абсорбера с гидравлическими кол- лекторами. После зтого с помощью_ сжатого воздуха (1 МПа) раздувают все трубки абсорбера до их полного размера в поперечном сечении (3). На следующем зтапе (4) устанавливают остекление, при зтоад используют ли­сти размером 1,2X1.2 м. Накачивают (5). резиновне ка­мери, поднимающие коллектор до такого положення, ко* торое соответствует ойтимальному углу наклона для данной местности. Устанавливают постоянную. опорную конструкцию и убирают надувньїе подушки {б).

Описанная прогрессивная технология обеспечивает високую производительность труда монтажников — троє рабочих за день мОгут собрать 125 м² коллектора, иіа.е- ющего длину 50 м. Единичньїй модуль размером 2,5>< Х3<2 м поступает е завода в собранном виде (кроме аб­сорбера и остекления), имеет массу 50 кг, позтому вго легко устанавливать двум рабочим.

Зти коллектори имеют следующие преимущества: ма­лую удельную массу, отнесенную к 1 м² площади поверх- ности коллектора; отличньїе оптико-теплотехнические ха­рактеристики: зффективннй оптический КПД, которьій равен 0,746, козффициент теплопотерь 3,68 Вт/ (м² ■ К), високую надежность. В зтой конструкции исключается 75—80 % наружннх соединений труб, благодаря чему снижаются теплопотери и исключзются затрати на мон­таж, тепло- и гидроизоляцию трубопроводов. При темпе- ратуре теплоносителя до 60 °С; можно использовать не- большое количество теплоизоляционного материала, а при более внсокой температура требуется система подав- ления конвекции воздуха в з|зоре между лучепоглоща- ющей поверхностью и остеклением коллектора. Стри- мость коллектора ниже, чем коллекторов стандартних конструкций, и соответственно меньше срок окупаемооти. Еще одной особенностью зтого коллектора является йс- пользов&ние легковесиой опорной конструкции.

Существенно повншает КПД коллектора наряду с применением селективних покритий также использо- вание прозрачной гофрнрованной вставки между одно- слойньїм остеклением и селективним абсорбером и о^ра- рательной пленки (фольги) над слоем теплоизол^Ции (рис. 83). Вставка предназначена для снижения койвек- тивних теплопотерь и наготовлена из фторированного полимера (пленка толщиной 0,025 мм), имекяцего про- пускательную способность 0,98. Абсорбер изготовлен из нержавеющей стали и имеет селективное покрьітие. Зф- фективньїй оптический КПД коллектора равен 0,79, а ко­зффициент теплопотерь 3,3 Вт/(м²-К).

Рис. 84. Складнвающийся жидко- стннй коллектор большой длиньї:

Солнечньїе коллекторьі из полимерньїх материалов. Дешевьіе вьісокозффективньїе и надежнне плоские сол­нечньїе коллекторн могут бьіть изготовленьї с широким

2

/VWWW

Рис. 83. Вьісокозффектив- ний солнечннй коллектор с низкими конвективними теплопотерями:

І — абсорбер; 2 — отражатель; 5 — полимерная пленка; 4 — теплоизоля- ция; 5 — наружная полимерная плен­ка; 6 — автопокрьішка

1 — прозрачная гофрированная вставка; 2 — остекление; З— абсорбер; 4 — отражательная пленка; 5 — теплоизолирован- ннй корпус

использованием тонких полимерньїх пленок и пеноплас- тов. Масса КСЗ может бьіть доведена до 2,5 кг на 1 м² лучепоглощающей поверхности.

Конструкция КСЗ содержит всего четьіре злемента: абсорбер с селективним покрнтием, алюминиевую штам- пованную раму, пенопластовую теплоизоляцию и внеш- дюю оболочку из полимерной пленки, приклеенной краме.

Один и тот же злемент вьіполняет несколько функций. Пленка, служащая прозрачной изоляцией, одновременно обеспечивает подавление конвекции воздуха. Нижняя пленка защищает коллектор от воздействия внешней сре- дн. Обе зти пленки работают на растяжение. В то же время пенопласт, служащий тепловой изоляцией, работа- ет на сжатие.

При рациональном виборе полимерньїх материалов обеспечивается такая конструкция КСЗ, которая отли- чается вьісокой зффективностью и хорошими прочностнн-

*тш

ми характеристиками при малой массе. КСЗ способен видерживать силу ветра в 5 м/с и более.

Полимерная пленка предварительно термически де- формируется, благодаря чему она образует елементи, работающие на растяжение. В сочетании с жесткой пено- пластовой теплоизоляцией образуется конструкция КСЗ, подобная конструкции предварительно напряженного крьіла самолета.

Селективная поглощательная способность абсорбера зависит от толщинн пленки. По сравнению со стеклом полимерная пленка лучше пропускает солнечное излуче- ние.

Совершенствование конструкции КСЗ позволит пови­сить его КПД при сравнительно невнсокой равновесной температуре, благодаря чему тепловое напряжение ма­териалов абсорбера уменьшится и значительно снизится стоимость при широком виборе полимеров.

На рис. 84 показана конструкция дешевого жидкост- ного КСЗ, которнй может применяться в гелиосистемах горячего водоснабжения, отопления, опреснения морской води и т. п. Коллектор содержит абсорбер с каналами для теплоносителя, отражатель, два слоя полимерной пленки с сеткой между ними, теплоизоляцию, защищен- ную полимерной пленкой. Под коллектор подкладцвают старне автопокришки. Коллектор имеет малую массу, его длина может достигать 50 и 100 м. Он может -достав­ляться в рулонах. На месте рулон разворачивают и го­товий коллектор устанавливают на отведенной площад- ке. Стоимость коллектора весьма низкая, кроме того, он прост в зксплуатации, КПД его может достигать 75 %. При длине секции КСЗ 100 м и расходе водн 3 л/с тем­пература води повьішается на 40 °С при плотности по- глощенного потока солнечной радиации 500 Вт/м², а па- дение давлення составляет всего 5 кПа на 100 м длиньї.

Дешевие воздушньїе коллекторн могут бнть изготов- ленн на месте. В частности, часть крьіши здания или его стени может бить использована как абсорбер (метал- лический лист), сверху защищенний стеклом, а снизу омиваемий потоком воздуха. Другой вариант воздушно- го солнечного коллектора можно самим изготовить, ис- пользуя недорогие и доступнне материальї. Корпус кол­лектора изготовляется из фанери или тонких досок, на дно ящика укладивается слой теплоизоляции толщиной 50—75 мм (минеральная вата или пенопласт), сверху на него кладется отражательная пленка (фольга), затем в наклонном положеним по диагонали закрепляется ме- таллическая сеткр, предварительно окрашенная в черньїй матовий цвет. На сетку кладут небольшой слой (5— Юмм) зачерненной стружки черного металла. Подвод холодного воздуха осуществляется через патрубок 6, а отвод нагретого воздуха — через патрубок 7. Сверху коллектор имеет остекление (рис. 85). Нагрев воздуха солкечной знергией осуществляется при его движении через слой стружки на сетке, которнй поглощает солнеч- ную знергию. Внутренняя поверхность коллектора долж- на бьіть покрашена матовой черной краской. Необходимо обеспечить герметичность канала, по которому движется воз'дух.

В Ч 5

Рис. 85. Бездушний солнечньїй коллектор матричного типа:

1 — корпус; 2 — теплоизолявдя;

З — отражательная пленка; 4 — сетка; 5 —стружка; € — подвоад- щий патрубок; 7 — отводящий па­трубок; 8 — остекление

Изготовление и установка аккумулятора теплоти.

Бак-аккумулятор горячей води должен изготовляться промишленним способом. Водяной бак-аккумулятоо теплоти может бить изготовлен из листовой стали, дсбо- дементного стекловолокна, бетона, а бункер галечного аккумулятора — из бетона или дерева с металличес'кой обшивкой. Следует иметь в виду, что асбоцементний бак вьідерживает температуру не вьіше 80 °С.

Резервуар должен иметь внутреннее защитное по- крнтие. Основание аккумулятора может бить внполнено из бетонной плити шш залито при строительстве фунда- мента дома. Толщина тепловой изоляции составляет от 75 до 300 мм.

Трубопроводи и тепяообменники для солнечнмх ус­тановок. Расход води в солнечних установках может из- меняться от 30 до 100 л/ч на 1 м² лучепоглощающей по- верхности КС9, точнее, 30—40 л/ч для водонагревате- лей с естественной цнркуляцней водьі, 40—60 л/ч для установок отоплення и горячего водоснабжения с прину-

дительной циркуляцией, 70—100 л/ч для установок, ис- пользуемнх в плавательннх бассейнах. При использова- нии антифриза, теплоемкость которого на 20 % ниже, чем водн, расход должен бнть больше на 20 %. Скорость теплоносителя в трубопроводах должна бнть равной 0,5—1м/с. Диаметр трубопроводов можно определить по полезной мощности коллектора. Так, при КПД коллек- тора 0,5, плотности потока солнечной знергии 800 Вт/м² и разности температур водн в КСЗ 10 °С расход теплоносителя равен 0,5-800/(1,16* 10) =41,3 кг/(м²-ч). При площади поверхности КСЗ 20 м² и скорости водн 1 м/с площадь поперечного сечения трубопровода соста- вит 41,3*20/(1 -3600-10³) =2,29-10^—4 м² и его диаметр бу­дет равенК 4-0,000229^1=0,017 м. Скорость водн в во- донагревателях с естественной циркуляцией равна 0,05— 0,1 м/с. Тогда при площади КСЗ 10 м², удельном рас- ходе водн ЗО л/ (м²-ч) и скорости 0,1 м/с диаметр труб составит 32,6 мм.

Скорость воздуха в воздуховодах принимается до З м/с. Удельная обьемная теплоемкость воздуха в 3500 раз меньше, чем водн, и соответственно обьемннй рас­ход воздуха в КСЗ составит 50—300 м⁸/ч на 1 м² пло­щади поверхности КСЗ. Диаметр воздуховодов в 30 раз больше диаметра трубопроводов для водн.

Теплопотери от трубопроводов существенно умень- шаются при применении теилоизоляции. Так, при диа- метре трубн 20 и 48 мм без теплоизоляции теплопотери при разности температур водн и наружного воздуха 40 °С составляют 27 и 57 Вт на 1 м длинн трубн, а при применении теплоизоляции с козффициентом теплопро- водности 0,035 Вт/(м-К) и толщине 40 мм — 5,2 и 7,7 Вт соответственно.

Трубопроводи следует прокладнвать по кратчаЯше- му пути между КСЗ, аккумулятором теплотн и потреби- телем в сухих местах с обязательннм применением теп­лоизоляции и обеспечением возможности удлинения.

При разности температур 100 °С удлинение составля- ет для стекла 0,45 мм/м, плексигласа 3,5, поливинилхло- рида 3,8, полизтилена 10, стали 1,2, меди 1,7, алюминия 2,4 мм/м.

Для передачи теплоти из КСЗ в аккумулятор исполь­зуется теплообменник — зто может бить змеевик анутри бака-аккумулятора, или рубашка вокруг его наружной поверхности, или отдельннй противоточннй теплообмен-

Рис. 86. Схема гелиоустановки «топлення н горячего водоснабжения с арматурой и приборами

ник. Козффициент теплопередача К составляет 300— 400 Вт/ (м²-°С) для рубашки, 500—900 для гладкотруб- ного змеевика в неподвижной жидкости, 1000—2000 Вт/ /(м²-°С) для противоточного теплообменника, а для воз- душного теплообменника К= 12-=-20 Вт/{м²<°С). При средней разности температур теплоносителей 8 °С плот­ность передаваемого теплового потока составляет для указанннх теплообменников 2,4—3,2; 4—7,2; 8—16 и 0,096—016 кВт/м². Для нетеплоизолированного трубо­провода козффициент теплопотерь составляет 10 Вт/ /(м²-°С).

Теплообменник для передачи теплоти из аккумуля­тора к потребителю обьічно имеет большие размерн по сравнению с теплообменником в контуре солнечного кол­лектора, и позтому в большинстве случаев (кроме не- больших установок) используются отдельньїе теплооб- менньїе аппарати противоточного типа.

При использовании воздушннх коллекторов для на­грева водн требуется пластинчатий теплообменник типа воздух — вода, в зтом случае обязательно применение ребер со сторони воздуха, так как теплообмен там про­исходит весьма неинтенсивно и козффициент теплопере- дачи от води к воздуху составляет 10—15 Вт/(м²-°С).

На рис. 86 показана схема солнечной установки ото- иления и горячего водоснабжения с необходимой арма- турой и измерительннми приборами. Для удаления воз­духа в верхней точке установлен воздушник В, из ниж- них точек предусмотрен слив жидкости через дренажнне вентили Д, на линии горячей води установлен пре- дохранительннй клапан П, на линии возврата теплоно- носителя в КСЗ имеются запорньїе крани 3 (до и после насоса Н), расширительний бак РБ и обратннй клапан ОК, на линии подачи водопроводной водн устанавлива- ются регулятор давлення РД, запорньїй кран 3, обрат- ньій ОК и предохранительннй Я клапани. Включение и внключение насоса происходит автоматически по раз­ности температур в КСЗ и аккумуляторе. На схеме так­же показанн система автоматического управлення (САУ), отопительнне прибори (ОП), измерительнне прибори— манометр М и термометри Т, линии холод- ной (ХВ) и горячей (ГВ) води.

20. ПРОСТЬІЕ СОЛНЕЧНЬІЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИУСАДЕБНЬІХ И ДАЧНЬІХ УЧАСТКОВ

Самий лростой солнечний водонагреватель можно сделать, используя черньїй пластмассовий шланг, кото- рий для зтого сворачивается в виде спирали в бухту и укладнвается на южннй скат наклонной криши .(рис. 87). Один конец шланга надевается на водопроводнмй кран, а второй соединяется с душем. Необходимую лу- чевоспринимающую поверхность и емкость зтого водо- нагревателя можно обеспечить, вибрав еоответствующую длину шланга, а регулируя краном расход води, можно