Типы солнечных жидкостных тепловых коллекторов

1. Открытые тепловые солнечные коллекторы

Открытые солнечные коллекторы (СК) бывают двух типов:

• конструкция из трубок или других последовательно соединенных элементов, по которым течет теплоноситель (трубчатые);
• емкость с теплоносителем (объемные).

В обоих случаях это простейшие конструкции у которых поверхность (абсорбер) непосредственно нагревается солнечными лучами. Элементы конструкции открытого теплообменника закрепляются на простейшей раме – каркасе и не защищены (открыты) от внешних воздействий окружающей среды. В качестве теплоносителя применяется вода, антифриз.

Обычно, теплообменники открытого типа применяются на садовых и приусадебных участках для подогрева воды в летних открытых душевых и открытых детских бассейнах. Часто они изготавливаются самостоятельно из подручного материала.

На рис. 8 представлены несколько оригинальных конструкций СК открытого типа.

Преимущества коллекторов открытого типа:

• дешевизна конструкции,
• обеспечивает подогрев воды для бытовых нужд летних садовых участков.

Недостатки коллекторов открытого типа:

• низкая эффективность подогрева теплоносителя;
• использование только в летнее время в теплых регионах страны;
• отсутствует защита от температурных воздействий окружающей среды, теплоноситель быстро остывает;
• нагрев теплоносителя происходит только при солнечной погоде и отсутствии облачности;
• требуется время на подогрев теплоносителя после остывания в ночной или облачный периоды времени;
• обеспечивает небольшой (до 20 °С) перепад температуры теплоносителя и окружающего воздуха;
• нагрев теплоносителя происходит только в безветренную погоду.

Рис. 8. Некоторые примеры исполнения простейших водяных и воздушных тепловых солнечных коллекторов

Существуют и промышленные СК открытого типа. Некоторые из них представлены на рис. 9.

В большинстве случаев, промышленные СК открытого типа – это поверхности из пластика черного цвета внутри которых размещены каналы с циркулирующей водой. Солнце нагревает поверхность такого коллектора, которая, в свою очередь, нагревает воду. Нагретая вода поступает в бассейн или резервуар летнего душа.

Рис. 9. Солнечные тепловые коллекторы открытого типа промышленного изготовления

Главное преимущество таких устройствдешевизна.

Разберем более подробно недостатки солнечных коллекторов открытого типа. Это поможет понять, что нужно сделать для повышения их эффективности.

Главный недостаток, определяющий название таких систем – отсутствует защита от температурных воздействий окружающей среды, теплоноситель быстро остывает. СК лежит на земле или на поверхности затененной от солнца, следовательно, контактирует с холодной средой, минимум равной температуре воздуха в тени. Летом днем это примерно 20 °С. Значит с одной стороны поверхность нагревается солнцем, а с другой стороны – охлаждается окружающей средой.

Решение данной проблемы простое – изолировать нижнюю поверхность коллектора. То есть установить на внутренней поверхности теплоизоляционный слой.

Рассмотрим другой пример. На небе появились тучи, СК попал в тень и нагретая передняя поверхность, теперь будет нагревать не внутренние трубки с теплоносителем, а окружающий воздух. Решение данной проблемы – закрыть переднюю поверхность СК от остывания прозрачной пластиной или стеклом. Все это защитит также от ветра, поскольку открытые солнечные коллекторы при ветре также быстро остывают. Эти изменения в конструкции, увеличат эффективность работы коллектора, но превратят его в конструкцию принципиально другого типа – закрытые от воздействия атмосферных факторов солнечные тепловые коллекторы.

Открытые СК могут обеспечивать только небольшой перепад температур (до 20 °С) между температурой теплоносителя и окружающей температурой воздуха. Это обусловлено тем, что коллекторы данного типа излучают очень много энергии в окружающую среду и имеют очень низкий коэффициент полезного действия.

Открытые СК не применяются в автономных системах отопления и подготовки горячего водоснабжения из-за низкой эффективности их работы.

КПД солнечных коллекторов открытого типа

Мгновенный коэффициент полезного действия. Угол падения солнечных лучей на коллектор постоянно меняется. За час он изменяется на 15 градусов, следовательно, меняется и количество энергии, падающей на поверхность коллектора.

КПД солнечного коллектора, подсчитанный при фиксированном положении Солнца, называется мгновенным. Максимальное значение КПД, при нулевой разницы температур между окружающей средой и коллектором. Солнце непосредственно нагревает абсорбер коллектора, Значение мгновенного КПД зависит от материала абсорбера, его толщины, апертурной площади коллектора, качества селективного покрытия.

Обычно, абсорберы СК открытого типа выполнены из стали, окрашенной в черный цвет или пластика. Если коллектор выполнен из труб, то важна плотность их навивки. При недостаточно плотной навивке, большая часть солнечной энергии проходит мимо и не нагревает трубы.

Если коллектор объемного типа и его абсорбер стальной лист, покрашенный простой черной краской, то площадь поглощения солнечной энергии большая. Но простая черная масляная краска имеет плохой коэффициент поглощения и значительная часть солнечной энергии отражается в атмосферу.

При отсутствии тепловой изоляции на задней поверхности коллектора происходят потери, преобразованной в тепло солнечной энергии на нагрев воздуха или поверхности грунта, если он находится на земле.

Определять точно КПД открытых солнечных коллекторов не имеет смысла, поскольку, в большинстве случаев, эти коллекторы делаются самостоятельно из подручного материала, а промышленные коллекторы этого типа, являются, в большей степени, декоративными или маркетинговыми решениями и греют воду очень плохо.

Во многих статьях и учебных пособиях максимальный мгновенный КПД открытых солнечных коллекторов указывают в диапазоне 90 %, объясняя, что этот параметр, практически равен поглощающей способности абсорбера. Но у трубчатых солнечных коллекторов данного типа, плотность навивки редко бывает более 60 %, а при размещении на земле, практически никогда, не удается направить коллектор строго перпендикулярно углу падения солнечных лучей. Поэтому реальный максимальный КПД таких систем не превышает 30–50 % %. Вопросы расчета КПД солнечных коллекторов будут рассмотрены в следующих разделах.

2. Плоские закрытые солнечные трубчатые тепловые коллекторы

Исходя из названия, солнечные теплообменники данного типа закрыты от воздействия атмосферных факторов и имеют плоскую поверхность. Конструкция устройства представлена на рис. 10.

Плоский трубчатый солнечный коллектор состоит из:

• несущего корпуса;
• плоского абсорбера;
• трубки с теплоносителем;
• прозрачного закаленного стекла (однослойное, двухслойный пакет);
• теплоизоляции задней стенки корпуса;
• входных и выходных патрубков подсоединения к магистрали системы отопления и ГВС.

Плоские солнечные коллекторы располагаются непосредственно на склонах крыш, направленных по направлению к югу, или на специальных рамах для установки на плоских крышах или площадках.

Рис. 10. Конструкция закрытого плоского трубчатого солнечного коллектора

Принцип работы данных устройств заключается в следующем. Солнечные лучи проходят через переднее плоское прозрачное защитное стекло, способное выдержать снеговые нагрузки, град и другие механические воздействия, через воздушную прослойку в несколько сантиметров, которая является теплоизолятором, и нагревают поверхность абсорбера. Для лучшего поглощения солнечных лучей, поверхность абсорбера покрыта селективным покрытием. К абсорберу прикреплены трубки из теплопроводного материала, по которым циркулирует теплоноситель. Абсорбер нагревает трубки, которые передают тепло теплоносителю. Движение теплоносителя в системе создается циркуляционным насосом. Вся конструкция смонтирована на прочной раме.

Конкретные значения размеров элементов плоских солнечных коллекторов определяются их производителями и являются решениями проектировщиков, но типовыми значениями можно признать следующие:

• защитное прозрачное стекло – 3–3,5 мм. При меньшей толщине, трудно обеспечить прочность, при большей, возрастает вес и снижается КПД;
• воздушный зазор между стеклом и абсорбером – 25–35 мм. При меньшем размете растут теплопотери, при большем, габариты и вес;
• толщина нижнего теплоизоляционного слоя – 35–50 мм. При меньшем значении, плохая термоизоляция, при большем, растут габариты и вес.

Некоторые конструкции плоских солнечных коллекторов и их варианты размещения представлены на рис. 11.

Абсорберы плоских коллекторов бывают цельнолистовыми и перьевыми.

Рис. 11. Некоторые конструкции плоских солнечных коллекторов и варианты их размещения на крышах зданий

В перьевых абсорберах к отдельным пластинам прикреплена или приварена трубка, в которой циркулирует теплоноситель. Трубки в таких абсорберах соединяются между собой в виде «арфы» (коллекторный тип).

В цельнолистовых абсорберах система распределения теплоносителя бывает в виде «меандра» или же трубки соединенные коллекторным типом.

На рис. 12 представлены перьевые и цельнолистовые абсорберы плоских коллекторов, а на рис. 13, схемы соединения трубок.

Рис. 12. Перьевые и цельнолистовые абсорберы плоских коллекторов

Рис 13. Варианты соединение трубок в плоских коллекторах

В первом варианте соединения трубок, возникает вопрос равномерного распределения жидкостей по каналам. Обычно это достигается увеличением диаметра горизонтальных участков труб коллектора. Во втором варианте, необходимо предусмотреть уклоны для обеспечения вытеснения воздуха при его заполнении.

Апертурная площадь (aperture area). Площадь прозрачного ограждения солнечного коллектора, через которое солнечное излучение поступает в коллектор [1].

Однако лучше сказать, что это площадь видимой части плоского абсорбера через прозрачное ограждение.

Преимущества закрытых плоских трубчатых коллекторов

Высокая эффективность работы летом. При правильном выборе направления ориентации на солнце.

Имеют значительно более высокую эффективность, чем открытые солнечные коллекторы.

Перепад температур между коллектором и атмосферным воздухом может достигать 20–60 °С.

Хорошее соотношение ценаэффективность при эксплуатации систем только в летний период времени.

Способность самоочищаться от снега и инея. Данная способность определяется не конструкцией самого плоского солнечного коллектора. Снег оседает на поверхность и иней образуется на ней и у плоского и у другого любого коллектора в ночные часы или при полной облачности. У систем ГВС и отопления с использованием плоских трубчатых коллекторов есть возможность принудительно подогреть теплоноситель в трубках, и он нагреет абсорбер, который, в свою очередь, нагреет стекло солнечного коллектора. Снег и иней, находящийся на поверхности коллектора, растают. Применение вакуумных пакетов плоских коллекторов позволяет их использовать в более холодные периоды, но исключают возможность самоочищения.

Эффективно преобразовывает прямую солнечную радиацию. Плоские солнечные коллекторы имеют наибольшее соотношение площади абсорбера к площади всего коллектора, значит, при определенном направлении падения солнечных лучей, они имеют возможность использовать всю энергию солнца, действующую на квадратный метр поверхности.

Недостатки закрытых плоских трубчатых коллекторов

Низкая эффективность работы в холодное время года.

Воздушная прослойка между защитным стеклом и абсорбером и стекло имеют значительную теплопроводность и если на улице холодно, то большая часть солнечной энергии, которая преобразуется на абсорбере в тепловую, отдается в атмосферу. Особенно это усиливается в ветряную погоду. Таким образом, чем ниже температура, тем менее эффективен плоский солнечный коллектор.

Использование вакуумных трубчатых плоских коллекторов возможно, но они обладают очень высокой ценой и экономическая эффективность применения их сомнительна. Рекомендуемая температура эффективного использования солнечных коллекторов данного типа, выше 10 °С, что ограничивает районы круглогодичного использования данных приборов.

Ограниченный период эффективной работы в дневное время. Плоские коллекторы – стационарные объекты строго ориентированные в пространстве. Поскольку Солнце перемещается по 15 градусов каждый час, то эффективная работа плоского солнечного коллектора длится не более 5 часов в сутки, в то время, как продолжительность светового дня в летний период, к примеру в Москве, составляет до 17,5 часов.

Сложность транспортировки и монтажа. Плоские солнечные коллекторы, в собранном виде – это габаритная тяжелая конструкция, которую трудно транспортировать личным транспортом и монтировать на крышах домов. Работы должны выполняться с применением грузоподъемной техники несколькими людьми. В пассажирские лифты и лестничные марши частных домов данные устройства, как правило, не помещаются.

Сложность ремонта. При повреждении стеклянного защитного покрытия, или выходе из строя элементов плоских солнечных коллекторов, требуется полная замена всего коллектора. Ремонт должен быть выполнен в мастерской. Фактически, данная проблема приводит к полной остановке работы системы до замены поврежденного коллектора.

Высокая парусность. Плоские коллекторы имеют высокую парусность. Они могут быть установлены непосредственно на склоны крыш домов, но такая установка, как правило, приводит к значительному падению эффективности работы устройства, поскольку реальные дома имеют склоны крыш с разной ориентацией на солнце и разные уклоны. Для большей эффективности, коллекторы устанавливаются на раму, которая крепится на крыше. Но из-за больших габаритов, парусности и веса, данные конструкции должны быть прочными.

КПД закрытых плоских солнечных коллекторов

В данном разделе мы рассматриваем значения максимального мгновенного КПД солнечных коллекторов (при фиксированном положении Солнца).

Оптический КПД солнечного коллектора определяет, какой процент излучения, попадает через прозрачное покрытие на коллектор и поглощается абсорбером. Данный показатель полностью характеризует применяемые материалы защитного прозрачного, материала и покрытия абсорбера, не зависит климатических факторов и конструктивных и тепловых параметров гелиоситемы. Наилучшие показатели оптического кпд современных солнечных коллекторов составляют 0,92–0,94.

Мгновенный КПД можно определить по формуле:

КПД = КПДопт – K·(Т1 – Т2)/Ис, (2)

где КПД – кпд плоского солнечного коллектора, %;

КПДопт – оптический коэффициент пропускной способности стекла, %;

K – эффективный коэффициент теплопотерь солнечного коллектора, ВТ/(м2·°С);

Т1 – температура теплоносителя, град. К;

Т2 – температура окружающей среды, град. К;

Ис – интенсивность солнечного излучения, Вт/м2.

Параметры, влияющие на кпд солнечного коллектора:

• интенсивность солнечной энергии;
• температура наружного воздуха;
• конструктивные характеристики солнечного коллектора;
• свойства поверхности абсорбера – материал и толщина листа, толщина, коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, шаг труб;
• рабочие параметры всей гелиосистемы (расход теплоносителя и его температура на входе).

При сравнении различных материалов, используемых для изготовления абсорбера, – меди, алюминия, стали, пластмассы – установлено, что с увеличением произведения толщины листа на его коэффициент теплопроводности, значение КПД коллектора возрастает. При одинаковой толщине абсорбер из металлов и пластика, кпд конструкции из пластика в два раза меньше [2].

Расстояние между трубками в плоском абсорбере обычно меняется от 50 до 150 миллиметров, при этом, его КПД меняется от 0,989 до 0,948 если он выполнен из меди, от 0,88 до 0,934, для алюминия и 0.984 до 0,819 для стали [2].

Уменьшение диаметра трубок снижает эффективность на 2–4 %.

Очень большую роль в эффективности работы плоских солнечных коллекторов играют атмосферные факторы, так при уменьшении температуры окружающего воздуха с 25 до 10 °С, КПД падает примерно на 25 %. При появлении облачности – в два раза, допустим интенсивность солнечного излучения упала с 1000 до 500 Вт/м2, тогда коллектор площадью один квадратный метр произведет примерно в 4 раза меньше тепловой энергии, чем в первом случае.

Чем ниже температура входящего теплоносителя, тем выше КПД.

Увеличение расхода теплоносителя влечет увеличение КПД до определенной величины и потом остается неизменным.

Важным фактором также является качество селективной поверхности абсорбера. У лучших, показатель их эффективности составляет 0,96, в то время, как простая черная краска имеет данный показатель на уровне 0,5.

На рис. 14 показаны зависимости мгновенного КПД закрытого плоского солнечного коллектора с высокоселективной поверхностью абсорбера от интенсивности солнечного потока (1000, 800, 500, 300 Вт/м2, разности температур теплоносителя и окружающего воздуха, при наилучших показателях оптического КПД (0,82) и углу падения солнечных лучей перпендикулярно поверхности при коэффициенте потерь, равным 7 Вт/м2·°С.

Рис. 14. Зависимости КПД плоского высокоселективного солнечного коллектора от разности температуры на входе и выходе из коллектора при разных значениях интенсивности солнечного излучения

Из рисунка видно, что при максимальной интенсивности солнечного излучения, равной 1000 Вт/м2, мгновенный максимальный КПД солнечного коллектора меняется от 82 до 58 %, при перепаде температур 60 °С. Но, все таки, перепад температур в 60 °С система создать может. Но при интенсивности солнечного излучения в пасмурную погоду, плоский солнечный коллектор способен нагреть теплоноситель на температуру не более 25 °С.

3. Закрытые трубчатые и объемные солнечные коллекторы

Простейшим открытым объемным солнечным коллектором является бочка, установленная на крыше (см. рис. 4). Данная конструкция, как и другие открытые трубчатые коллекторы (см. рис. 5) обладают рядом недостатков. Главным преимуществом открытых солнечных является их дешевизна. Последнее время, ряд компаний стали выпускать новые конструкции солнечных коллекторов. Если закрыть коллектор прозрачным колпаком, то мы уменьшим теплопотери при понижении температуры воздуха, защитим от ветра, утеплим нижнюю теневую часть конструкции. Все это увеличит эффективность работы таких систем. Данный тип солнечных коллекторов, по прежнему, относится к сезонным дачным установкам подогрева вода и цена таких конструкций невысокая. Делаются такие коллекторы из пластика методом вакуумного формования, который применяется для массового производства. Срок службы таких коллекторов до пяти лет. На рис. 15 показаны конструкции таких коллекторов. Закрытые объемные солнечные коллекторы предназначены для эксплуатации в теплый период времени года, когда продолжительность светового дня более 12 часов. Для увеличения времени освещенности солнечными лучами поверхности коллектора их производят в виде сфер, полуцилиндров, пирамид.

Рис. 15. Закрытые трубчатые и объемные солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы данного типа размещают на крышах летних домиков и на площадках. Из за использования пластмасс в качестве конструктивных материалов прозрачного защитного слоя и корпуса коллектора, данная конструкция дешева и применяется, в основном, для подготовки горячей воды на приусадебном хозяйстве, подогрева воды в детских бассейнах и летних душевых. Такие солнечные коллекторы обладают невысоким КПД, но они более защищены от влияния атмосферных факторов, чем коллекторы открытого типа и лишены ряда их недостатков.

4. Вакуумные трубчатые коллекторы

4.1. Вакуумные трубки и их характеристики

В трубчатых вакуумных солнечных коллекторах применяются два типа трубок:

• двухстенные коаксиальные;
• одностенные.

Коаксиальная вакуумная трубка солнечного коллектора – сосуд Дьюара, выполненный в виде тонкостенных стеклянных коаксиальных трубок, запаянных с торца. Из пространства между стенками труб выкачан воздух.

Конструкция вакуумной трубки солнечного коллектора представлена на рис. 16. Свободный конец внутренней трубки поддерживается держателем, выполненным из нержавеющей стали.

Рис. 16. Конструкция тонкостенной коаксиальной вакуумной трубки солнечного коллектора

Требования к вакуумным трубкам солнечных коллекторов:

• стекло должно иметь высокую прочность;
• высокую светопропускную способность;
• устойчивость к старению при высоких температурах;
• сохранять в течение длительного времени высокий уровень вакуума;
• иметь индикаторы уровня вакуума.

Трубки вакуумных коллекторов выполнены из чрезвычайно крепкого боросиликатного стекла, которое выдерживает удары града, падающего со скоростью 18 м/с диаметром до 35 мм. Боросиликатное стекло пропускает волны солнечной радиации в диапазоне 0,4–2,7 нм, – весь спектр теплового излучения. Толщина стенок у разных производителей разная и составляет около 1,7 мм для внешней трубы и 1,5 мм для внутренней. Массово выпускаются несколько типоразмеров труб, наиболее популярны вакуумные трубы длиной от 1,5 до 2,0 м с внешним диаметром 57 и 75 мм, но есть и трубы с внешним диаметром 150 мм. Зазор между трубами составляет около 3,5 мм.

Для визуальной индикации наличия вакуума в межтрубном пространстве, на нижнюю часть внутренней трубы наносят соли бария. Они активно поглощаются присутствующие в воздухе газы и, в случае снижения или потери вакуума, меняют цвет. Белый матовый цвет конца внутренней трубы – свидетельство нарушения вакуума в межтрубном пространстве. На рис. 17 показаны окончания вакуумных труб солнечного коллектора в варианте требуемого уровня вакуума и его отсутствия.

Внутренняя колба вакуумной трубы выполнена из боросиликатного стекла и покрытая специальным многослойным селективным абсорбционным покрытием, которое концентрирует всю энергию солнечного излучения внутри центрального канала. Температура в центре трубок может достигать 380 °С, причем внешняя поверхность вакуумной трубы остается холодной.

Рис. 17. Индикация уровня вакуума в трубках солнечного коллектора

Абсорбционное покрытие делается многослойным.

Первый слой – это теплопередающий слой напыления меди, М–AL–N/Cu, который имеет низкий коэффициент эмиссии и высокую теплопередачу через внутреннюю стеклянную стенку к теплоносителю.

Второй слой (антиэмиссионный), это пленка нитрида алюминия Al–N–Al служит для предотвращения перекрестной миграции энергии. Этот слой позволяет меди первого слоя нагреваться до температур свыше 400 °С за счет предотвращения потерь тепла. Третий слой металлокерамический (высокоселективный абсорбирующий) – напыление нитрида алюминия AL–N/M–AL–N распыленных одновременно в газовой смеси аргона и азота для получения покрытия, которое поглощает солнечное излучение с очень низкой теплоотдачей.

Эффективность абсорбционного покрытия не менее 95 %; эмиссия не более 5 %.

Стандартный уровень вакуума в межтрубном пространстве коаксиальных труб составляет 5·10–3 Па.

В солнечных коллекторах применяются также вакуумные коаксиальные трубки без нанесенного на внутреннюю трубу селективно-абсорбционного покрытия или с нанесением отражающего покрытия на часть поверхности трубы, при этом половина трубы по всей длине остается прозрачной.

Вторым типом вакуумных труб, которые применяются в солнечных коллекторах, являются одностенные вакуумные трубки. Иногда их называют «перьевыми». Данные трубки представляют собой одностенную длинную стеклянную колбу, заглушенную с одного торца. Колба выполнена из более толстого закаленного стекла толщиной до 3 миллиметров. Внутри колбы вакуум уровня 5·10–3 Па. Как правило, данные колбы имеют внешний диаметр несколько больший, чем коаксиальные вакуумные трубки.

4.2. Тепловые каналы вакуумных солнечных коллекторов

В центральном канале вакуумных трубок помещается тепловой узел.

В солнечных трубчатых коллекторах применяются несколько типов тепловых узлов (другие названия:-тепловые каналы, тепловые трубки):

• U образные трубки прямого нагрева;
• коаксиальные трубки прямого нагрева;
• тепловая трубка «Heat pipe». (термотрубка испарение-конденсация).

Тепловой узел состоит из абсорбера и трубок по которым течет теплоноситель, в вариантах прямого нагрева и специальной тепловой трубе с легкоиспаряемой жидкостью, в варианте «Heat pipe».

Перьевые и цилиндрические абсорберы вакуумных трубок (сечения) представлены на рис. 18. Форма абсорберов и их крепление к трубкам с теплоносителем может быть любая.

Рис. 18. Перьевые и цилиндрические абсорберы тепловых трубок

На рис. 19 представлен вариант U-образной медной трубки прямого нагрева с цилиндрическим алюминиевым абсорбером.

Теплоноситель поступает в трубку прямого нагрева по каналу с холодной водой. Абсорбер, нагретый солнечными лучами в центральном канале коаксиальной стеклянной вакуумной трубы, передает тепло теплоносителю. Движение теплоносителя принудительное с помощью циркуляционного насоса.

Рис. 19. U образная трубка прямого нагрева с цилиндрическим абсорбером

На рис. 20 показана конструкция прямоточной коаксиальной трубки прямого нагрева с цилиндрическим и перьевым абсорберами. По внутреннему каналу трубки поступает холодная вода. Обратно, нагреваемая абсорбером вода, возвращается в распределительный узел.

Рис. 20. Прямоточная коаксиальная трубка в вариантах с цилиндрическим и перьевым абсорберами: 1 – стеклянная колба; 2 – вакуумная прослойка; 3 –медный абсорбер с высокоселективным покрытием; 4 – внутренний тепловой канал с теплоносителем (подающий); 5 – наружный тепловой канал с теплоносителем

Вариант «термотрубка «Heat pipe» работает по другому принципу. На рис. 21 показана конструкция с цилиндрическим абсорбером. Но применяются и термотрубки «Heat pipe» с перьевым абсорбером. На рис. 22 показана схема работы данного варианта тепловой трубки.

Рис. 21. Тепловая трубка «Heat pipe» с цилиндрическим абсорбером

Рис. 22. Схема работы тепловой трубки «Heat pipe»

Принцип работы состоит в следующем.

Внутри запаянной с концов трубки находится лекгоиспаряемая жидкость. В качестве такой жидкости может применяться дистиллированная вода. Если в трубке сделать давление ниже атмосферного, то температура кипения воды снижается и вода вполне может использоваться в качестве такой жидкости. Кроме того, вода, экологически абсолютно безопасная жидкость. Также, в качестве легкоиспаряемых жидкостей в тепловых трубках, используют ацетон и другие хладогенты.

Солнечная энергия нагревает абсорбер и тепловую трубку. При температуре около 30 °С происходит испарение жидкости (поглощение теплоты испарения). Тепловые трубки расположены вертикально, под углом не менее 20–30 градусов. При этом, пары жидкости поднимаются в верх трубки на конце которой расположен теплосборник (цилиндр увеличенного диаметра 14–24 мм), соединенный с поглотителем (полый медный цилиндр), расположенный в канале (манифолд) с теплоносителем системы отопления и ГВС. Теплосборник охлаждается поглотителем. В теплосборнике происходит конденсация пара легкоиспаряемой жидкости, сопровождающаяся выделением тепла, которое передается через поглатитель теплоносителю. Конденсированная жидкость под действием силы тяжести стекает обратно в нижнюю часть тепловой трубы. Процесс циркуляции пассивный, повторяющийся.

Манифолд – это устройство в виде металлического блока, который выступает в качестве теплосборника. К нему подсоединены вакуумные трубки, которые передают тепловую энергию через конденсатор, располагающийся в самом верху трубки. Манифольд и тепловые трубки закреплены на общей металлической раме.

Термосифонные трубки солнечных коллекторов

Коаксиальные вакуумные трубки с селективно-абсорбционным покрытием внутренней трубки могут также использоваться в солнечных коллекторах, использующих в своей работе термосифонный эффект. Более подробно данные системы будут описаны во второй части учебного пособия, поскольку, данный эффект не может существовать в отдельной трубке коллектора. Для его работы нужна система, состоящая из коллектора, интегрированного в накопительный бак. Холодная вода имеет более высокую плотность и находится в нижней части накопительного бака. К нижней части накопительного бака, под углом, присоединены вакуумные коаксиальные трубы, заполненные водой и составляющие с баком единый гидравлический объем. Поскольку, теплая вода имеет более низкую плотность, чем холодная, то, нагреваясь под воздействием солнечных лучей в коаксиальной трубке, теплая вода поднимается в бак, вытесняя холодную воду в трубку коллектора. Данный эффект циркуляции объемов воды с разной плотности называется термосифонным (естественной конвекции). В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Преимуществом данной схемы работы является то, то вода нагревается непосредственно в вакуумных трубках без промежуточных элементов, что повышает КПД системы. Главный недостатокданная система безнапорная. Ее невозможно подключить к централизованной системе ГВС и отопления без дополнительных элементов (коллекторов съема тепла накопительного бака).

4.3. Преимущества и недостатки, показатели эффективности вакуумных трубчатых солнечных коллекторов

Кпд трубчатых элементов солнечных коллекторов

Как и в предыдущем разделе по эффективности плоских коллекторов, мы рассматриваем значения мгновенного КПД. Вопрос сравнения полной эффективности применения солнечных коллекторов в течении суток и различных времен года, будет рассмотрен в следующей главе.

Методологически, расчет мгновенного КПД трубчатого вакуумного коллектора совпадает с расчетов КПД плоского. Также есть понятие оптического КПД, селективных покрытий, эффективности абсорбера, теплопередачи энергии теплоносителю. Наилучшие образцы вакуумных трубчатых коллекторов имеют оптический КПД, равный 080–0,85.

Но есть два серьезных отличия между плоскими и трубчатыми коллекторами в расчете КПД.

Первое, касается конструктивных особенностей монтажа коллекторов. Плоские коллекторы воспринимают только прямое солнечное излучение, поскольку имеют прозрачное покрытие только со стороны, направленной на Солнце. Вакуумные трубчатые коллекторы, могут быть расположены на склоне крыш и, в случае монтажа непосредственно на крышу, также воспринимают, в основном, прямое солнечное излучение. Но, если такие же коллекторы установлены на раме, а крыша плоская, то свет может попадать и на обратную сторону коллектора и вакуумные трубки воспринимают рассеянное и отраженное от других объектов солнечное излучение. В варианте коллектора с вакуумными трубками могут быть конструкции с отражателями – концентраторами, установленными в зазорах между труб и за ними. Доля рассеянного излучения в ясную погоду может составлять около 20 % от прямого излучения. А в облачную, прямого излучения вообще нет. Следовательно, если в расчете КПД вакуумного трубчатого коллектора брать его апертурную площадь, то можно столкнуться с ситуацией, когда КПД окажется более единицы. Это не нарушение законов сохранения энергии, это факт, обусловленный способностью вакуумных трубчатых коллекторов воспринимать энергию с большего пространства, чем апертурная площадь. Но если мы в расчет возьмем не апертурную площадь вакуумной трубки, а и зазора между ними, то все становится на свои места и значение КПД становится меньше единицы. Поэтому, в случаях, если указываются значения КПД больше единицы, понимайте, что при расчетах рассматривалась не полная площадь коллектора, а апертурная площадь. В сравнении эффективности разных типов коллекторов необходимо учитывать их общую габаритную площадь, тогда оно будет правильным.

Вторым отличительным моментом является то, что есть тепловые трубки вакуумных коллекторов с прямоточным течением теплоносителя и есть тепловые трубки с фазовым переходом жидкость-газ и обратно («Heat pipe»). В первом случае, нагрев теплоносителя происходит, как и в случае плоских коллекторов – прямым нагревом. Во втором случае, возникает многократная теплопередача энергии от одних узлов к другим, вызывающий потерю около 10 % энергии. Общий разброс мгновенного КПД трубчатых коллекторов может находиться в диапазоне 0,65–0,8 и очень сильно зависит от конструкции и типу тепловой трубы, абсорберов и других параметров.

С учетом вышесказанного, необходимо отметить, что значение мгновенного КПД солнечных коллекторов трудно точно определить расчетным путем и должно определяться экспериментам образом на заводе – изготовителе и обозначаться в паспортных данных.

Преимущества вакуумных солнечных коллекторов

Вакуум – прекрасный изолятор. Вся, преобразованная из солнечных лучей, тепловая энергия сконцентрирована в центральном канале вакуумной трубки. Теплопотери в окружающую среду практически отсутствуют. Свидетельством этого является то, что,

если вы прикоснетесь в яркий солнечный день к поверхности вакуумной трубки, то почувствуетеона холодная. И обратно, если вокруг холодно, то вакуум является барьером для охлаждения трубок центрального канала.

Вывод – вакуумные трубки и весь солнечный коллектор на их основе можно эксплуатировать круглогодично.

Вакуумные трубки способны преобразовывать световую энергию рассеянного, отраженного освещения (пасмурная погода).

Обеспечивают практически полное поглощение тепловой энергии всего спектра (видимой и инфракрасной части).

Высокая надежность систем. Срок службы более 15 лет. Низкая парусность.

Возможность выполнения сервисных и ремонтных работ без демонтажа всего коллектора.

Температура внутри центрального теплового канала может достигать 400 °С.

Высокая продолжительность работы в течение суток.

Ряд конструкций способны работать под любым углом падения солнечных лучей.

Если рассматривать равные апертурные площади плоского и трубчатого вакуумного солнечных коллекторов, то, в некоторые конструкции вакуумных трубок с цилиндрическим абсорбером с высокоселективным покрытием, имеют производительность значительно выше плоских. Это объясняется тем, что такие типы абсорберов вакуумных трубок способны воспринимать полное излучение, даже с задней стороны вакуумной труби.

Трубчатая форма меньше загрязняется пылью, органическим мусором. Обдувается ветром.

При вертикальном расположении на них меньше задерживается снег.

Недостатки вакуумных трубчатых коллекторов

Главным недостатком вакуумных солнечных коллекторов является то, что их апертурная площадь сильно отличается от общих габаритов коллектора. Трубки раздвинуты между собой на расстояние до 1,5 диаметра. То есть при диаметре трубок 57 мм расстояние между ними около 85 мм. Это делается для того, чтобы трубки не затеняли друг друга при угловом падении прямых солнечных лучей. Схема падения солнечных лучей показана на рис. 23. Из рисунка видно, что при падении лучей под прямым углом, имеется значительная доля энергии, проходящая мило трубок коллектора. Эта величина определяется исключительно расстоянием между трубками. В то же время, расстояние между трубками позволяет увеличить угол, при котором не происходит затенение соседних трубок. При увеличении расстояния такой угол увеличивается.

Рис. 23. Разные углы падения прямых солнечных лучей на трубки солнечного коллектора

В любом случае, апертурная площадь трубчатых коллекторов меньше чем у плоских. Правда, этот недостаток компенсируется тем, что трубчатые коллекторы способны вырабатывать тепловую энергию в большем угловом диапазоне. По данным [3] суммарная суточная тепловая энергия, при одинаковых условиях, вакуумным трубчатым коллектором с цилиндрическими абсорберами больше плоского солнечного коллектора на 14 %.

До последнего времени считалось, что трубчатые солнечные коллекторы дороже плоских. Но массовое производство трубчатых коллекторов снизило их себестоимость и, в настоящее время, себестоимость коллекторов одинаковая.

Недостатком трубчатых коллекторов также считается то, что на них налипает снег и иней, а плоские коллекторы обладают возможностью к самоочистке. Однако, это не совсем так. Плоские коллекторы обладают режимом таяния, если в них противотоком направить подогретый теплоноситель. Но, во-первых, для этого нужно потратить энергию, во-вторых, плоские солнечные коллекторы вообще не следует использовать зимой, следовательно и сравнивать их по этому критерию не надо. В третьих, на трубчатых коллекторах снег задерживается хуже, чем на плоских. Конечно, стоит вопрос об эффективности использования солнечных коллекторов в районах с продолжительной зимой и высоким снежным покровом, но это касается всех их типов, а трубчатые солнечные коллекторы, единственные из рассматриваемых, способные работать при рассеянном и отраженном свете.

Также, отдельно стоит вопрос о ремонтопригодности трубчатых солнечных коллекторов. Существует ли возможность замены одной вышедшей из строя вакуумной трубки не сливая воду со всего коллектора? В некоторых конструкциях такая возможность есть. А в других нет. Конструкций трубчатых коллекторов множество. Не возможно однозначно ответить на этот вопрос не зная конструкции. Но, даже в варианте необходимости слива теплоносителя из системы, можно сказать, что демонтаж можно проводить на объекте.

В заключение главы, приводим данные по долям, используемых в мире, различных типов солнечных тепловых коллекторов [4]. Представлены на рис. 24 в виде диаграммы.

Рис. 24. Доли различных солнечных тепловых коллекторов, используемых в мире[4]

 

Список литературы:

1. ГОСТ Р 54856-2011: Теплоснабжение зданий. Методика расчета энергопотребности иэффективности системы теплогенерации с солнечными установками.
2. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М., Энергоатомиздат, 1991, 208 с.
3. 2017 Institute for Solar Technology Oberseestrasse 10 CH- 8640 Rapperswil Tel. +41 55 222 48 21 info@spf.ch Impressum GTC.
4. Бутузов В.А. Обзор мирового рынка солнечных систем теплоснабжения // Журнал С.О.К., № 12/2013.