Классификация и конструкций солнечных коллекторов

По принципу исполнения гелиоколлекторы разделяются на два типа: низко­потенциальные и высокопотенциальные, соответственно

По конструкции они об­разуют две большие группы: плоские и с фокусирующими концентраторами.

Плоские гелиоколлекторы поглощают, как прямое, так и рассеянное излучение, и является предпочтительными при нагреве теплоносителя до температур ниже 100С, а концентрирующие коллектора представляют собой оптическую систему усиливающего излучение, и теплоноситель в них нагревается до высоких температур. Плоский солнечный коллектор – устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую.

Плоские солнечные коллекторы (см. рисунок 8) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность;

5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель; 7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.

Рисунок 8 – Плоский солнечный коллектор

 

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения.

Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80°С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

В ПК выявлены следующие типы конструкции поглощающих панелей:

– панельные, которые делятся на трубчатые, лист-труба, лист;

– емкостные соответственно спиральные, подушка;

– с теплопроводной средой;

– вакуумированные;

– коллекторы с тепловыми трубами.

На рисунке 9 показаны различные конструкций поглощающих панелей.

А) – лист- труба; Б) – гофрированная поверхность с каналами; В) – штампованная поверхность с каналами; Г) – поверхность с прямоугольными каналами

Рисунок 9 - Схемы различных конструкций поглощающих панелей

Достоинством плоских коллекторов является способность поглощать прямого и рассеянного излучения и простота конструкций.

Гелиоколлекторы с концентраторами делятся на следующие конструкции:

– зеркальные и диффузные, обусловливающие отражатели различной конфигурации, в которую входят эвольвентные, параболоидные; спиральные, параболоцилиндрические;

– цилиндрические линзы Френеля и сферические линзы Френеля;

В фокусирующих ГК между источником и приемником излучения установ­лено оптическое устройство-концентратор, благодаря чему увеличивается плот­ность лучистого потока, падающего на приемник, по сравнению с плоским кол­лектором, равным по площади выходу в оптическое устройство. Численное значе­ние этого увеличения называют степенью концентрации.

Фокусирующие системы подразделяются на параболоиды (высокая концентрация, температура рабочая 250-650°С, КПД 60-70%); параболоцилиндры () и плоские пластины (низкая концентрация, рабочая температура 60-140°С, КПД 30-50%).

На рисунке 10 показаны различные конструкций гелиоколлекторы с концентраторами.

Рисунок 10 - Конструкция различных концентраторов

А) – параболоцилиндрический концентратор; Б) - параболический концентратор; В) – концентратор на основе плоской линзы Френеля.

Параболоцилиндрический концентраторы обеспечивают концентрацию солнечных луей на одной линии, характеризуется средней концентрацией, температура рабочая 150-400°С, КПД 50-70% (рисунок 11). Снабжены системой слежения за солнцем.

Параболический концентратор управляется по двум координатам. Он сконцентрирует солнечные лучи на небольшую площадь, характеризуется высокой концентрацией, температура рабочая 250-650°С, КПД 60-70% (рисунок 12).

1 – солнечные лучи; 2 – теплоприемная труба; 3 – зеркало; 4 – система слежения.

Рисунок 11 - Параболоцилиндрический концентратор

1 – солнечные лучи; 2 – теплоприемная труба; 3 – зеркало; 4 – система слежения; 5 – труба для теплоносителя.

Рисунок 12 - Параболический концентратор

Линза Френеля изготавливается из цельного стекла, имеет поперечное сечением специальной формы (рисунок 13).

1. Линза Френеля с зубчатым сечением; 2 – труба для теплоносителя; 3- изоляционный материал.

Рисунок 13 – Концентратор с линзой Френеля

На рисунке 14 дан разрез гелиоколлектора фирмы ²Corning² с тепловой трубой и желобчатым зеркалом. Некоторые отличительные черты желобчатого зеркала заключается в следующем: касательные с поверхности поглотителя перпендикулярны зеркалу;– поверхность поглотителя равна углу раствора, а концентрация С=1.

К онцентраторы с диффузными отражателями различной формы, обеспечивают более низкие оптические КПД. Их можно изготовить окрашиванием металлического листа белой краской, относительно более долговечны и требует значительно меньше затрат на материалы и изготовление по сравнению с зеркальными отражателями.

1-пар, 2-приемник лучей с селективным покрытием, 3-пористый фитиль,

4-желобчатое зеркало, 5-трубчатый стеклянный кожух, 6-угол раствора, 7-солнечные лучи.

Рисунок 14 – Поперечный разрез гелиоколлектора

с желобчатым зеркалом

На рисунке 15 показан СК, состоящий из профилей, изогнутых в виде спирали. Попадая в спираль, прямая радиация, отражаясь, попадает вовнутрь спирали и поглощается круглой трубой.

1. Отражающая поверхность; 2- труба коллектора

Рисунок 15 - Солнечный коллектор с отражателем, изогнутым по спирали

Достоинства гелиоколлекторы с концентраторами: возможность получения тепла (пара) высокой температуры;

Недостатки: высокая стоимость, необходимость очистки от пыли, работа в светлое время суток, необходимость аккумулятора большого объема и системы слежения за солнцем, расход электроэнергии на работу системы слежения.