Принцип работы и основные элементы солнечного теплового коллектора

1. Принцип работы солнечного теплового коллектора

Примитивнейший солнечный тепловой коллектор (ТСК) – это стальная, покрашенная черной краской, бочка с водой, установленная на крыше. Вариант такого устройства представлен на рис. 4.

Рис. 4. Примитивный солнечный тепловой коллектор в виде бочки

Не смотря на свою примитивность, такой ТСК выполняет главную функцию – преобразует солнечную тепловую энергию в нагретую и готовую к использованию воду.

Стальная поверхность бочки – устройство, преобразующее солнечную радиацию в тепловую. Бочка покрыта черной краской для увеличения поглощения солнечной энергии, внутри бочки находится вода, которая нагревается за счет внутреннего теплообмена.

Данная конструкция обладает множеством недостатков. Нагрев воды в таком солнечном коллекторе происходит только под воздействием прямых солнечных лучей. Если на небе облака, или пасмурно, то нагрева не происходит. Более того, если вода нагрелась, то при заходе солнца в облака, она остывает, поскольку бочка не имеет никакой термоизоляции, а температура окружающего воздуха, даже летом, бывает ниже 25 градусов. Если дует ветер, то охлаждение происходит еще быстрее. Но с точки зрения процесса преобразования солнечной энергии в удобную для использования человеком горячую воду, данное устройство является полноценным.

На рис. 5 представлены некоторые типы солнечных коллекторов промышленного производства, предназначенные для подготовки горячей воды в индивидуальных и многоквартирных домах. Работа СК, независимо от конструктивных особенностей, состоит в следующей последовательности.

А) Солнечная энергия видимого и ближайшего инфракрасного излучения спектров, в диапазоне 300–1100 нм попадает на абсорбер солнечного коллектора, поверхность которого покрыта селективным покрытием.

Абсорбер – элемент СК. Техническое устройство, предназначенное для преобразования солнечной энергии в тепловую.

Б) Абсорбер, передает тепло непосредственно жидкости или трубкам произвольной формы, по которым течет нагреваемая жидкость (теплоноситель).

Теплоноситель – жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии.

Рис. 5. Тепловые солнечные коллекторы, установленные на крышах и стенах индивидуальных и коммерческих сооружений

Как видно из формулировки, теплоносителем может быть как жидкость, так и воздух. Соответственно по этому определению, тепловые солнечные коллекторы могут быть:

• жидкостные;
• воздушные.

В) Теплоноситель передает тепло приборам водоснабжения или отопления, либо непосредственно используется потребителем. На рис. 6 показана конструкция примитивного воздушного ТСК. В качестве абсорбера выступает окрашенная черным цветом алюминиевая гофрированная воздушная труба, теплоносителем является воздух, движение которого создается вентилятором.

Если в жидкостном коллекторе абсорбер непосредственно нагревает теплоноситель, а циркуляция теплоносителя определяется разницей плотности холодного и нагретого теплоносителя (естественной циркуляцией), то такие солнечные тепловые коллекторы называются коллекторы со свободной (прямоточной) циркуляцией. Если движение теплоносителя осуществляется циркуляционным насосом, то коллекторами с принудительной циркуляцией. Также, по условию циркуляции теплоносителя тепловые коллекторы можно классифицировать, как энергетически независимые – если на циркуляцию воды не тратится дополнительная энергия, и энергетически зависимые, если для этого процесса нужна дополнительная энергия.

Рис. 6. Простейший воздушный тепловой солнечный коллектор

Если абсорбер солнечного коллектора нагревает теплоноситель и он непосредственно передается в систему отопления и ГВС то такие коллекторы называются одноконтурные или одноступенчатые. В том случае, если абсорбер нагревает элементы, в которых циркулирует легкоиспаряемая жидкость и она, нагреваясь превращается в насыщенный пар, который в последствии конденсируется на теплосъемнике отдельной циркулирующей с теплоносителем системе, то такой солнечный теплообменник называется двухконтурным или двухступенчатым.

Более подробно все типы солнечных тепловых коллекторов будут рассмотрены в последующих главах данного учебного пособия.

2. Основные элементы коллектора. Абсорбер, селективное покрытие, защитные стекла, теплоноситель

Как было указано выше, абсорбер–главный элемент СК. В нём происходит нагрев теплоносителя систем отопления и горячего водоснабжения. Отсюда рождаются важнейшие требования к материалу абсорбера:

• высокая теплопроводность;
• низкая стоимость;
• стойкость к температурным нагрузкам и другим атмосферным факторам;
• иметь длительный срок жизни:
• простота в обработке.

В некоторых случаях, к абсорберам предъявляется требование прочности. Так, к примеру, в варианте простейшего ТСК, в виде бочки, представленного на рис. 4, материал бочкиаб- сорбера должен быть прочным, поскольку это еще и резервуар для хранения жидкости.

В большинстве случаев, материалами изготовления абсорберов являются:- медь, алюминий, сталь. В простейших дешевых абсорберах применяют пластик.

В табл. 1 указаны значения показателей коэффициентов теплопроводности основных материалов абсорберов и других материалов, используемых в солнечных тепловых коллекторах.

Из таблицы видно, что наилучшим материалом, с точки зрения теплопроводности, является медь. Железо имеет теплопроводность в четыре раза меньше меди и в 2,5 раза меньше алюминия. Однако стоимость меди и алюминия значительно выше. Теплопроводность пластика в 200 раз хуже стали, поэтому абсорберы из пластика применяются только для бытовых дешевых солнечных коллекторов, когда эффективность их работы не интересует потребителя. Могут быть абсорберы из стекла с напылением. Стекло имеет теплопроводность в 20 раз хуже стали, но оно имеет рад преимуществ – длительный срок службы, относительно низкая цена, стойкость к старению, агрессивным средам и температуре.

Таблица 1 Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Конструктивные исполнения абсорберов будут рассмотрены в следующих разделах.

Абсорберы должны поглощать энергию и передавать ее теплоносителю. Для того, чтобы абсорберы не излучали тепловую энергию в пространство их покрывают специальным селективным покрытием.

Селективное покрытие – покрытие, обеспечивающее максимальное поглощение солнечной энергии при минимальной отражающей способности.

Селективное покрытие абсорберов СК играет очень важную роль в показателях эффективности их работы. Такое покрытие может быть выполнено в виде многослойной краски, однослойной или многослойной пленки и нанесено на поверхность абсорбера способами напыления, гальваники или вакуумного формования. Есть еще один способ улучшить поглощающую способность поверхности абсорбера – химически обработать его поверхность.

Важно обратить внимание на устойчивость селективного покрытия к атмосферным факторам, особенно для открытых абсорберов, а также, на способность к старению (срок службы) – сохранению постоянных теплофизических характеристик при длительном температурном воздействии.

Селективные покрытия характеризуются тремя показателями:

• Поглощающая способность.
• Излучающая способность.
• Общая эффективность.

Поглощающая способность, важнейший показатель, определяется тем, какое количество солнечного излучения материал может преобразовать в тепловую энергию.

Излучающая способность (отрицательный показатель), характеризует количество тепла, которое отдает абсорбер в окружающую среду в виде излучения.

Общая эффективность – отношение первых двух показателей. Это относительный коэффициент, показывает эффективность селективного покрытия.

В табл. 2 показаны значения показателей эффективности различных селективных покрытий, применяемых для солнечных тепловых коллекторов.

Таблица 2. Показатели эффективности различных селективных покрытий

Что будет, если покрасить абсорбер СК простой черной масляной краской?

Краски поглощают, в основном, видимую честь солнечного спектра, а тепловая энергия распространяется и на ближайшую инфракрасную часть. Краски выцветают под воздействием длительного ультрафиолетового излучения, теряют способность поглощать энергию, излучают энергию в инфракрасном диапазоне. Кроме того, простые строительные краски действуют, как теплоизоляция. Солнечная панель с абсорбером, покрашенным такой краской, будет крайне неэффективной.

Современные селективные многослойные покрытия на основе черного хрома и черного никеля имеют поглощающую способность, достигающую значений 0,95. Производители некоторых селективных красок, на пример, компания «Stancolac», заявляют, что их краска «Илиолак» обладает поглощающей способностью 0,99.

Другой тип покрытия абсорбераселективные пленки. Бывают однослойные и многослойные пленки на металлизированной подложке. Качественные селективные пленки имеют излучающую способность 5 % и менее, а поглощающую способность 0,95. Общая эффективность таких покрытий достигает 20 и выше. Главным недостатком таких покрытий является их цена.

Применяются также и химические способы улучшить свойства поглощения солнечной энергии поверхностью абсорбера. Оксидная пленка на меди черного цвета, имеет хороший коэффициент поглощения солнечного излучения.

К примеру, если поверхность абсорбера выполнена из меди, то ее можно обработать (окислить) персульфатом калия, или хлоритом натрия. Или просто калением металла при высокой температуре. С последующей защитой окисленной поверхности.

Защитные стекла солнечных коллекторов

Абсорберы нагреваются под действием солнечной радиации и для того, чтобы уменьшить их тепловое излучение их накрывают прозрачными для солнечных лучей защитными стеклами.

Прозрачное защитное покрытие должно обладать следующими свойствами:

• высокая прочность (выдерживать попадание града и другие механические нагрузки);
• высокая светопроницаемость;
• обладать малым весом;
• стойкость к УФ излучению;
• противостоять повышенным температурам;
• иметь стабильные светотехнические характеристики в течение всего времени эксплуатации;
• иметь длительный срок эксплуатации;
• иметь способность к самоочищению.

Очень важно, чтобы солнечная энергия максимально проходила через защитное стекло, без отражения. На рис. 7 показана схема прохождения солнечных лучей через стеклянную поверхность. Стекла для солнечных коллекторов антирефлексные, со специальным покрытием с двух сторон, уменьшающим долю отраженной энергии. Данные стекла обеспечивают прохождение до 96 % солнечной энергии, в то время, как обычные закаленные стекла имеют светопропускающую способность не более 92 %.

Рис. 7. Схема прохождения солнечных лучей через защитное стеклянное покрытие плоских тепловых коллекторов

Рассмотрим существующие варианты защитных прозрачных покрытий.

Самое обычное стекло, которое применяют при изготовлении окон, обладает светопроницаемостью около 90–92 %, и долговечностью, но хрупкое и имеет большой вес и низкую термостойкость.

Закаленное стекло представляет собой листовое стекло, подвергнутое специальной термической обработке с целью повышения механической прочности и обеспечения безопасного характера разрушения, обладает высокой светопроницаемостью 0,92, прочностью, высокой термостойкостью, долговечностью, но тяжелое и дорогое.

Иногда, в качестве прозрачного защитного слоя используют прозрачный поликарбонат. Сотовый поликарбонат имеет светопроницаемость около 80 %, устойчив к воздействию ультрафиолета и температурным нагрузкам, имеет малый вес, легко обрабатывается, безопасный, но имеет ограниченный срок службы (5–7 лет), теряет светопроницаемость со временем.

В настоящее время наибольшее распространение в конструкциях плоских ТСК получили закаленные антирефлексные стекла с низким содержанием железа, толщиной около 3,0-3.5 миллиметра, с внешним самоочищающимся покрытием из диоксида титана, способствующего выгоранию на солнце всего органического мусора.

Теплоносители солнечных тепловых коллекторов Теплоноситель обеспечивает транспортировку тепловой энергии от СК в систему отопления и ГВС потребителя.

Как было отмечено выше, теплоносители ТСК могут быть жидкими и газообразными. В качестве теплоносителя газообразных СК используется воздух.

В качестве теплоносителя в жидкостных солнечных тепловых системах часто используют воду. Она имеет высокую тепло- ёмкость и общедоступна. Однако, использование воды в чистом виде ограничено районами, в которых не бывает отрицательных температур. В других случаях необходимо предусмотреть предотвращения замерзания воды и разрушение системы.

Требования к теплоносителям для солнечных тепловых систем могут быть общими и специальными. В большинстве случаев, специальные требования обусловлены максимальной температурой эксплуатации систем, зависящей от типа СК и ограничениями в химической активности применяемых материалов.

Общие требования к теплоносителям:

• быть инертным по отношению к материалам, использованным для изготовления системы;
• невысокой вязкость;
• высокая теплоемкость;
• высокая теплоотдача.

Вода – наиболее распространенный теплоноситель. У нее практически нет стоимости, она не токсична, но замерзает при отрицательных температурах и обладает высокой коррозионной активностью при соприкосновении с металлами (основными материалами абсорберов), кроме того, содержит растворенные соли жесткости и, при высоких температурах, возможно появление накипи. Коррозионную активность воды можно снизить добавкой ингибиторов, а соли жесткости можно убрать с помощью фильтрационных систем обратного осмоса. Главный недостаток – замерзание при температуре ниже нуля градусов Цельсия.

Антифриз – общее название для всех жидкостей не замерзающих при низких температурах.

Требования к антифризам:

• не должен быть легко возгораемым;
• не должен содержать ядовитые и токсичные вещества;
• не должен быть химически активным и разрушать элементы систем отопления.

Антифриз на основе пропиленгликоля представляет собой трудновоспламеняемую, нетоксичную жидкость. Температура кипения около 188 °С, плотность – 1,04 г/см3.

Пропиленгликоль – это органическая жидкость. Для увеличения срока службы теплоносителя, а как следствие, всей гелиосистемы в жидкость добавляют специальные антиокислительные присадки. Кроме того, при очень высоких температурах работы солнечных коллекторов в пропиленгликоль добавляют силиконы и масла. Все эти добавки, к сожалению, повышают вязкость и снижают теплоотдачу теплоносителя.

В солнечных коллекторах нельзя использовать в качестве теплоносителя антифризы на основе этиленгликоля из-за его токсичности, на основе этилового спирта из-за его низкой температуры кипения и высокой испаряемости.

Если конструкция солнечного теплового коллектора используется в климате с положительной температурой в течение года и температура в системе не превышает 100 °С, то фильтрованная вода с противокоррозионными присадками является хорошим теплоносителем.