Учебники 80362

51

вого сплава. На тепловоспринимающую панель методом вакуумного напыления нанесено селективное покрытие, имеющее высокую эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую. Основные технические характеристики солнечных коллекторов «Сокол-А», а так же других устройств данного класса, рассматриваемых ниже, сведены в таблицу 3.1.

компрессионным тепловым насосом: 1 - солнечные коллекторы; 2 - система отопления; 3 - горячее водоснабжение; 4 - сточные воды; 5 - насосы; 6 - аккумулятор теплоты; 7 - потребитель теплоты; 8 - тепловой насос; 9 - бак; 10 - теплообменник, установленный в грунте; К - конденсатор; И - испаритель

Устройство АльтЭн-1 (рисунок 3.21), выпускаемое производственной базой ФГУП «НПО Машиностроение», служит для нагрева воды за счет солнечной энергии и используется в системах горячего водоснабжения и отопления домов, не имеющих централизованного энергоснабжения. В течение одного солнечного дня коллектор может нагреть около 150 л воды до температуры 60-70 оС.

Рисунок 3.20 - Солнечный коллектор «Сокол-А»

42

Таблица 3.1 Основные технические характеристики солнечных коллекторов, производимых на территории СНГ

43

44

Абсорбер, поглощающий солнечную радиацию, выполнен из алюминиевых профилей с пазами, в которые вставляются и запрессовываются тонкостенные латунные трубки для теплоносителя (рисунок 3.21, б).

Алюминиевые панели имеют также эффективное селективное покрытие, наносимое на поверхности в вакуумных камерах и характеризующееся высоким коэффициентом поглощения солнечной энергии в видимой и ближней инфракрасной области спектра и малым коэффициентом излучения в области спектра, соответствующего тепловому излучению при рабочих температурах коллектора.

б – селективное покрытие алюминиевых профилей с запрессованными латунными трубками; в – торцевая крышка для герметизации внутреннего объема

Светопрозрачное ограждение, состоящее из двухслойного ячеистого поликарбоната, охватывает абсорбер с передней и боковых сторон. Замкнутые каналы между слоями поликарбоната препятствуют движению воздуха, что уменьшает потери тепла в окружающую среду за счет конвекции, а прозрачные боковые стенки обеспечивают попадание солнечных лучей внутрь коллектора даже при больших зенитных углах, не создавая тени на поверхности абсорбера. Между задней стенкой прозрачного ограждения и тыльной стороной абсорбера находится тепловая изоляция на основе минеральной ваты. Торцевые крышки (см. рисунок 3.21, в), повторяющие профиль прозрачного ограждения, обеспечивают герметичность внутреннего объема коллектора.

Солнечные коллекторы SECO (рисунок 3.22) производства «СоларЭн» (Армения) отвечают современным техническим требованиям в соответствии со стандартами Евросоюза. В данных установках используются комплектующие немецкого производства, а в Армении осуществляется их сборка.

45

Панель абсорбера, выполненная из медных трубок с пластинами из алюминия, имеет специальное селективное покрытие, которое резко снижает тепловые потери в окружающую среду и увеличивает его эффективность.

В корпус устройства входит рама из жесткого алюминиевого профиля, покрытого защитной краской черного цвета, и алюминиевый лист в ее нижней части. В качестве светопрозрачного покрытия применено специальное закаленное стекло толщиной 4 мм с низким содержанием железа и текстурированной поверхно-

Рис. 3.22. Солнечный коллектор

SECO

стью для увеличения его прочности.

Плоские солнечные коллекторы, производимые Ковровским механическим заводом, имеют габаритные размеры 1000х1000х115 мм и отличаются от остальных значительным весом, малоэффективной теплоизоляцией и низкой ценой. Абсорбер выполнен из латунных трубок и стальных пластин. Корпус устройства изготовлен также из тонколистовой стали. В качестве светопрозрачного покрытия применено стекло толщиной 3 мм с минимальным содержанием железа.

Пластиковые солнечные коллекторы российского производства СКП-2 и ЦЭФТ (центр энергоэффективных технологий, г. Улан-Удэ) отличались дешевизной и малым весом. СКП-2, характеристики которого указаны в табл. 3.1, в настоящее время не производится. СКП-2 состоит из поглощающей панели, выполненной из листа сотового полипропилена, с приваренными в ее торцах полипропиленовыми трубками с входным и выходным патрубками. Кроме использования пластмассового материала для абсорбера существенным отличием от рассмотренных выше конструкций является применение в качестве тепловой изоляции пенофола, а также сотового поликарбоната для светопрозрачного покрытия. Весь пакет листов заключен в раму из алюминиевого профиля.

Применение полимерных материалов значительно уменьшает стоимость коллекторов. Однако солнечная радиация, в частности ее ультрафиолетовая составляющая, является основным фактором, вызывающим деградацию полимера в атмосферных условиях. Невысокая проникающая способность излучения приводит к тому, что активированные химические реакции (фотолиз, фотоокисление) развиваются наиболее интенсивно в тонких поверхностных слоях, толщина которых составляет микроны, и деструкция материала происходит постепенно в течение длительного времени.

46

Каждому полимерному материалу присущ так называемый «спектр активации», то есть длина волны или сравнительно узкая область длин волн, воздействие которых инициирует заметные изменения в его химическом составе. Так, для полиэтилена эта область ограничена следующими значениями: 318,5-300 нм, а для полипропилена она составляет 370 нм [85, 156].

Когда тепловоспринимающая панель накрыта сверху прозрачным покрытием, необходимо учитывать его пропускательную способность в ультрафиолетовой части спектра. Если стекло содержит 50 % Fe2O3, то его структура полностью не пропускает излучение с длиной волны =300 нм и=318,5 нм и сквозь него проходит 55 % излучения с =370 нм. При содержании 2 % Fe2O3 светопрозрачное покрытие пропускает до 40 % излучения с

=300 нм, 60 % - с =318, 5 нм и 80 % - с =370 нм [35]. Таким образом,

стекло значительно снижает воздействие солнечной радиации на пластмассовый материал в области «спектра активации», но в этом случае особое значение приобретает его термостойкость, поскольку рабочая температура теплоносителя может достигать 95 оС, а равновесная – 140-160 оС.

С теплотехнической точки зрения наиболее подходящим полимером для абсорбера является теплоэлектропроводный полипропилен. Его теплопроводность в зависимости от процентного содержания графита составляет от 1 до 2 Вт/(м·оС), а термостойкость достигает 160 оС. Он также имеет высокую поглощательную способность 0,95-0,97 при степени черноты соответственно 0,92-0,87, что достигается без окрашивания. Поэтому для изготовления солнечных коллекторов широко применяют этот полимерный материал. К перспективным следует также отнести стеклопластики на основе стекловолокна и полипропилена.

Конструкция абсорбера, выполненная из металлических листов и полимерных труб, на первый взгляд должна иметь высокий показатель теплосъема с 1 м2 панели. Но как показали результаты испытаний [35], у нее есть существенный недостаток – значительный температурный перепад на границе полимер – труба при любом типе механического соединения. Приемлемые значения перепада, находящиеся в пределах 2 оС, возможны лишь в случае вплавления металлической пластины в стенку трубы, что, несомненно, усложняет технологию изготовления абсорбера, поэтому такие конструкции крайне редко применяются.

В мировой практике существует достаточно много конструкций солнечных коллекторов с полимерными поглощающими панелями. В основном они выполняются методами экструзии трубчатого профиля, формования с последующей сваркой дух полимерных листов и экструзионно-выдувного формования.

Способ изготовления за счет экструзии трубчатого профиля позволяет получить плиты полимера, пронизанные каналами, параллельными друг другу. Наружные поверхности плит имеют плоскую или волнообразную форму в зависимости от конфигурации сечения каналов (квадратные или круглые со-

47

ответственно). Плиты горячей или ультразвуковой сваркой соединяются со сборными гидравлическими коллекторами, имеющими отформованную щель вдоль продольной оси. Такие солнечные коллекторы производятся фирмами

«Ramada Energy Systems Inc.», «Sunhouse Inc.» (США) и др.

Абсорбер из двух полимерных листов выполняют следующим образом: листы нагревают до заданной температуры и прокатывают между валками, обеспечивающими образование между ними в конечном итоге полых каналов. В результате получают панель заданных размеров, внутри которой имеется канал для прохода теплоносителя. Такая технология применяется фир-

мой «Unified Technologies Inc.» (США).

Рассмотренные способы изготовления абсорберов позволяют их получать неограниченной длины и поставлять свернутыми в рулон.

Экструзионно-выдувное формование теплопоглощающей панели заключается в изготовлении на экструдере рукава из полимерного материала, который в размягченном состоянии подается в раздвинутую раздувную форму из двух матриц внутренними стенками в форме поверхностей абсорбера, которые сжимаются вместе с рукавом. После охлаждения матрицы раздвигают и готовую тепловоспринимающую панель извлекают. Такую технологию применяет фирма «Solarol Inc.» (США). Метод выгодно отличается от остальных тем, что в результате одной операции получается абсорбер вместе с присоединяемыми штуцерами, но недостатком его является ограничение размеров выпускаемой продукции.

В России в основном применяется экструзионно-выдувной метод. Для изготовления абсорберов «рулонным» способом необходимы новые технологические разработки, которые позволяют освоить производство теплопоглощающих панелей из полимерных материалов в промышленном масштабе. Это существенно расширит номенклатуру выпускаемого оборудования и повысит экономическую эффективность систем солнечного теплоснабжения.

Представленные в п. 3.2 солнечные коллекторы позволяют оценить уровень их конструктивного исполнения и спрогнозировать их дальнейшее развитие в этом научно-техническом направлении при неуклонном возрастании спроса на нетрадиционные энергоресурсы.

3.3.Повышение эффективности гелиотехнических устройств

Эффективное использование солнечной энергии для решения вопросов энергосберегающей эксплуатации сооружений предполагает в основном применение активных гелиосистем. Но их реализация в средней полосе России и в более северных широтах вызывает возрастание срока окупаемости капитальных затрат. Чтобы обеспечить широкое распространение данного вида нетрадиционного теплоснабжения, необходимо разрабатывать конст-

48

рукции солнечных коллекторов, доступные с точки зрения цены и имеющие достаточно продолжительный срок безотказной эксплуатации.

Внедрение коррозионно-стойких металлов для массового производства солнечных коллекторов ограничивается их высокой стоимостью, а использование специальных защитных покрытий сопряжено с рядом трудностей, возникающих при нанесении на внутреннюю поверхность каналов. Поэтому в настоящее время активно ведутся разработки новых конструкций из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмассовых материалов, стоимость которых ниже в 1,5-2 раза по сравнению с установками из стали, цветных металлов и стекла. Полимеры такого качества позволят минимизировать удельную материалоемкость систем гелиотеплоснабжения, что уменьшит нагрузку на несущие конструкции, а также сократит затраты на транспортировку и монтажные работы.

Самой ненадежной частью любого солнечного коллектора является светопрозрачное листовое покрытие из-за угрозы его разрушения при соответствующих погодных условиях и значительного загрязнения при длительной эксплуатации. Чтобы усилить этот конструктивный элемент целесообразно использовать структурное стекло, неармированное или армированное методом непрерывного профиля [34]. Гофрированное остекление широко используется при решении задач пассивного солнечного отопления в промышленных и гражданских зданиях. Такое светопрозрачное покрытие не только меньше стоит, чем листовое, но и обладает существенными преимуществами, а именно большим сроком службы и относительно меньшей загрязняемостью при одинаковых условиях эксплуатации. Кроме того, при соответствующей обработке его поверхности можно сократить излучение тепловоспринимающей панели в окружающую среду, а при тщательном подборе шага, размера и формы гофр можно сконцентрировать солнечное излучение вблизи поглощающих трубок абсорбера, что повысит температуру нагреваемого теплоносителя.

3.4.Разработка установок с высокими показателями трансформирования солнечной энергии в тепловую

Рассмотрим коллектор [87], который включает указанные выше конструктивные элементы, позволяющие повысить эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую.

Корпус 1 устройства, изображенного на рисунках 3.23, 3.24, 3.25, так же как и широко распространенные коллекторы, имеет тепловую изоляцию 9, верхнее плоское остекление 2 и теплопроводные пластины 3, соединенные с поглощающими трубами 4. Последние оптически связаны с гофрированной светопрозрачной панелью 5, которая включает в себя параболические отражатели 6 и жидкостные линзы 7, размещенные в их нижней части над поглощающими трубами 4 и соосно с ними. В нижних полостях, образованных

49

гофрированной светопрозрачной панелью, установлены жидкостные призматические отражатели 8. Их входные торцы подсоединены к распределительной трубе 10, имеющей входной патрубок 11 для теплоносителя, а выходные

– к промежуточной трубе 12, которая также сообщается с входными торцами жидкостных линз 7. Противоположные концы линз 7 посредством перепускных патрубков 13 прикреплены к поглощающим трубам, для которых предусмотрена сборная труба 14 с выходным патрубком 15.

Такое конструктивное исполнение солнечного коллектора предполагает осуществление процесса нагрева прозрачного теплоносителя в следующем порядке.

Рисунок 3.23 - Солнечный коллектор, вид сверху

По входному патрубку 11 прозрачная жидкость поступает в распределительную трубу 10, а затем по входным торцам в жидкостные призматические отражатели 8. Световые лучи, проникшие через плоское остекление 2 и попавшие на гофрированную панель 5 и отразившиеся от нее, направляются на противоположную поверхность параболических отражателей 6, где в основном отражаются, а также частично проходят сквозь них, попадая на призма-

50

тические отражатели 8. Направленная на призматические отражатели 8 солнечная радиация незначительно поглощается теплоносителем, нагревая его, а основная ее часть отражается на поглощающие трубы 4 и на расположенную в близи этих труб область теплопроводных поглощающих пластин 3. Нагреваясь в жидкостных призматических отражателях 8, теплоноситель перетекает к их выходным торцам и поступает в промежуточную трубу 12, из которой затем по входным торцам перемещается в жидкостные линзы 7 параболических отражателей 6. Параболическая форма последних способствует многократному отражению лучей в панели 5, приводящему к их концентрации вблизи жидкостных линз 7. Так как линзы 7 собирающие, то основная доля излучения, которое проникнет сквозь них и не поглотится теплоносителем, заполняющим их полость, сосредоточится на поглощающих трубах 4. Это вызовет значительное нагревание поверхности данных труб. После дополнительного прогрева в жидкостных линзах теплоноситель по перепускным патрубкам 13 поступает в поглощающие трубы 4, где за счет полученной от излучения теплоты значительно повышает свою температуру. Нагретая жидкость из поглощающих труб 4 попадает в сборную трубу 14, а затем по выходному патрубку 15 направляется к потребителю.

Таким образом, конструкция коллектора [87, 188] позволяет более эффективно преобразовывать солнечную энергию в тепловую с последующим использованием ее в системах отопления и горячего водоснабжения за счет концентрирования излучения на поглощающих трубах и предварительного прогрева теплоносителя в жидкостных призматических отражателях и линзах. Применение последних способствует увеличению объема жидкости в устройстве, что значительно повышает его производительность, не снижая температурного потенциала теплоносителя на выходе из-за концентрации излучения на поглощающих трубах. К тому же, столь значительное заполнение коллектора жидкостью позволяет ему выполнять функцию суточного аккумулятора теплоты.

а

б