Селективные покрытия
По типу механизма, ответственного за избирательность оптических свойств, различают четыре группы селективных покрытий:
1) собственные;
2) двухслойные, у которых верхний слой обладает большим коэффициентом поглощения в видимой области и малым в ИК-области, а нижний слой – высоким коэффициентом отражения в ИК-области;
3) с микрорельефом, обеспечивающим требуемый эффект;
4) интерференционные.
Собственной избирательностью оптических свойств обладает небольшое число известных материалов, например W, Cu 2 S, HfC.
Интерференционные селективные поверхности образованы несколькими перемежающимися слоями металла и диэлектрика, в которых коротковолновое излучение гасится за счет интерференции, а длинноволновое – свободно отражается.
Классификация и основные элементы гелиосистем
Системами солнечного отопления называются системы, использующие в качестве теплоисточника энергию солнечной радиации. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.
По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.
Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (рис. 4.1.1)).
Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:
По назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);
По виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);
По продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);
По техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).
Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции.
Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.
Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).
Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.
Основными элементами активной солнечной системы является гелиоприемник, аккумулятор теплоты, дополнительный источник или трансформатор теплоты (тепловой насос), ее потребитель (системы отопления и горячего водоснабжения зданий). Выбор и компоновка элементов в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.
Главным критерием уюта в частном коттедже или квартире является тепло. В холодном доме даже самая шикарная обстановка не поможет создать комфортных условий. Но чтобы оптимальная для проживания температура поддерживалась в помещении не только летом, но и зимой понадобится монтаж системы отопления.
Сделать это сегодня можно легко, приобретя в качестве источника тепла газовый, дизельный или электрический котел. Но проблема заключается в том, что топливо для такого оборудования стоит дорого и доступно не во всех населенных пунктах. Что же тогда выбрать? Лучшим решением являются альтернативные источники тепла и в частности солнечное отопление.
Устройство и принцип работы
Что же представляет собой такая система? В первую очередь следует сказать, что есть два варианта солнечного отопления. Они предполагают использование различных как в конструктивном плане, так и по назначению элементов:
- Коллектора;
- Фотоэлектрической панели.
И если оборудование первого типа предназначено сугубо для поддержания в помещении комфортной температуры, то солнечные панели для отопления дома могут применяться для получения электричества и тепла. Их принцип работы основан на преобразовании энергии солнца и накапливании ее в аккумуляторах, чтобы потом использовать для различных нужд.
Смотрим видео, все о данном коллекторе:
Применение коллектора позволяет организовать только солнечное системы отопление для частного дома, при этом используется тепловая энергия. Такое устройство действует следующим образом. Солнечные лучи подогревают воду, которая является теплоносителем и поступает с трубопровод. Эта же система может использоваться и в качестве горячего водоснабжения. В состав входят специальные фотоэлементы.
Устройство коллектора
Но кроме них в комплектацию солнечного отопления включены:
- Специальный бак;
- Аванкамеры;
- Радиатор, выполненный из трубок и заключенный в короб, у которого передняя стенка выполнена из стекла.
Солнечные батареи для отопления дома размещаются на крыше. В нем вода нагреваясь перемещается в аванкамеру где происходит ее замена горячим теплоносителем. Это позволяет поддерживать в системе постоянное динамическое давление.
Виды отопления с использованием альтернативных источников
Самый простой способ преобразования энергии светила в тепло – это использование солнечных батарей для отопления дома. Они все чаще используются в качестве дополнительных источников энергии. Но что же представляют собой эти устройства и действительно ли они эффективны?
Смотрим видео, виды и их особенности работы:
Задача, установленного на крыше коллектора солнечного системы отопления для дома впитать как можно больше солнечного излучения, преобразовав его затем в так необходимую человеку энергию. Но при этом следует учитывать, что оно может быть превращено как в тепловую, так и электрическую энергию. Для получения тепла и подогрева воды используют солнечные системы отопления. Для получения электрического тока используют специальные батареи. Они аккумулируют энергию в дневное время суток и отдают ее ночью. Однако сегодня существуют и комбинированные системы. В них солнечные панели вырабатывают одновременно тепло и электричество.
Что касается солнечных водонагревателей для отопления дома, то они представлены на рынке широкой линейкой. Причем модели могут иметь различное назначение, дизайн, принцип работы, габариты.
Различные варианты
Например, по внешнему виду и конструкции системы отопления частного дома подразделяются на:
- Плоские;
- Трубчатые вакуумные.
По назначению они классифицируются на используемые для:
- Системы отопления и ГВС;
- Для нагрева воды в бассейне.
Есть отличия и принципе работы. Солнечное отопление с применением коллекторов является идеальным выбором для дачных домиков, так как не требуют подключения к электросети. Модели с принудительной циркуляцией подключают к общей системе отопления, в них циркуляция теплоносителя осуществляется при помощи насоса.
Смотрим видео, сравниваем плоский и трубчатый коллектор:
Не все коллекторы пригодны для солнечного отопления загородного дома. Согласно этому критерию они делятся на:
- Сезонные;
- Круглогодичные.
Первые применяются для отопления дачных строений, вторые в частных домовладениях.
Сравниваем с обычными система отопления
Если сравнивать это оборудование с газовым или электрическим, то оно имеет гораздо больше преимуществ. В первую очередь это экономия топлива. Летом солнечное отопление способно полностью обеспечить проживающих в доме людей горячей водой. Осенью и весной, когда ясных дней мало, оборудование можно использовать для снижения нагрузки на стандартный котел. Что касается зимней поры, то обычно в это время эффективность работы коллекторов очень мала.
Смотрим видео, эффективность коллекторов зимой:
Но кроме экономии топлива использование оборудования, работающего на солнечных батареях, снижает зависимость от газа и электричества. Для установки солнечного отопления не нужно получать разрешение и установить его сможет каждый, кто имеет элементарные знания в сантехнике.
Смотрим видео, критерии подбора оборудования:
Еще один плюс – это большая продолжительность работы коллектора. Гарантированный срок службы оборудования составляет не менее 15 лет, значит на этот период ваши коммунальные платежи будут минимальными.
Однако, как и у любого устройства у коллектора имеются некоторые недостатки:
- На солнечные водонагреватели для частного дома цена достаточно высокая;
- Невозможность использования как единственного источника тепла;
- Необходима установка бака-накопителя.
Есть и еще один нюанс. Эффективность работы солнечного отопления зависит от региона. В южных районах, где активность солнца высока оборудование будет иметь самый большой КПД. Поэтому наиболее выгодно использовать такое оборудование на юге и менее эффективным оно будет на севере.
Выбор солнечного коллектора и его монтаж
Прежде, чем приступать к установке оборудования, входящего в отопительную систему необходимо изучить его возможности. Для того чтобы узнать сколько тепла потребуется на обогрев дома необходимо рассчитать его площадь. Важно правильно выбрать место для установки солнечного коллектора. Оно должно быть максимально освещенным на протяжении дня. Поэтому обычно оборудование устанавливаются на южной части крыши.
Выполнение монтажных работ лучше доверить специалистам, потому что даже небольшая ошибка в установке системы солнечного отопления приведет к значительному снижению эффективности системы. Только при правильной установке солнечного коллектора он прослужит до 25 лет, причем полностью окупив себя за первые 3 года.
Основные типы коллекторов и их характеристики
Если здание по каким-либо причинам не подходит для установки оборудования, то можно разместить панели на соседнем строении, а накопитель поставить в подвале.
Преимущества солнечного отопления
Нюансы, на которые стоит обратить внимание при выборе этой системы были рассмотрены выше. И если вы все сделали правильно, то ваша система отопления на солнечных коллекторах доставит вам только приятные моменты. Среди ее достоинств следует отметить:
- Возможность круглогодичного обеспечения дома теплом, с возможностью регулировки температуры;
- Полная автономия от централизованных коммунальных сетей и снижение финансовых расходов;
- Использование солнечной энергии на различные нужды;
- Длительный эксплуатационный срок оборудования и редкие аварийные ситуации.
Единственное, что останавливает потребителей от покупки солнечной системы для отопления частного дома – это зависимость их работы от географии проживания. Если в вашем регионе ясные дни редкость, то эффективность оборудования будет минимальной.
Подготовили студенты Группы Б3ТПЭН31
Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.
По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.
Пассивные
Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена- коллектор, кровля-коллектор и т. п.
Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления “стена-коллектор”: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.
Активные
Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:
по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);
по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);
по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);
по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).
Классификация систем солнечного теплоснабжения
могут быть классифицированы по различным критериям:
по назначению:
1. системы горячего водоснабжения (ГВС);
2. системы отопления;
3. комбинированные системы;
По виду используемого теплоносителя:
1. жидкостные;
2. воздушные;
По продолжительности работы:
1. круглогодичные;
2. сезонные;
По техническому решению схемы:
1. одноконтурные;
2. двухконтурные;
3. многоконтурные.
Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.
Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.
Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.
Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).
Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.
Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис.4.1.2. Она включает три контура циркуляции:
первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;
второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;
третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.
Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения; 8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.
Функционирование
Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак- аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.
Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.
Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.
Принципиальная схема одноконтурной термосифонной системы солнечного горячего водоснабжения
Особенностью систем является то, что в случае термосифонной системы нижняя точка бака- аккумулятора должна располагаться выше верхней точки коллектора и не далее 3-4 м. от коллекторов, а при насосной циркуляции теплоносителя расположение бака-аккумулятора может быть произвольным.
Описание:
Особое значение при проектировании олимпийских объектов в Сочи имеет использование экологически чистых возобновляемых источников энергии и в первую очередь энергии солнечной радиации. В связи с этим будет интересен опыт разработки и внедрения пассивных солнечных систем теплоснабжения в жилых и общественных зданиях в провинции Ляонин (Китай), поскольку географическое расположение и климатические условия данной части Китая сопоставимы с аналогичными характеристиками Сочи.
Опыт Китайской Народной Республики
Чжао Цзиньлин , канд. техн. наук, Даляньский политехнический ун-т (КНР), стажер кафедры промышленных теплоэнергетических систем,
А. Я. Шелгинский , доктор техн. наук, проф., науч. руководитель, МЭИ (ТУ), Москва
Особое значение при проектировании олимпийских объектов в Сочи имеет использование экологически чистых возобновляемых источников энергии и в первую очередь энергии солнечной радиации. В связи с этим будет интересен опыт разработки и внедрения пассивных солнечных систем теплоснабжения в жилых и общественных зданиях в провинции Ляонин (Китай), поскольку географическое расположение и климатические условия данной части Китая сопоставимы с аналогичными характеристиками Сочи.
Применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для систем теплоснабжения является актуальным и весьма перспективным в настоящее время при условии грамотного подхода к данному вопросу, т. к. традиционные источники энергии (нефть, газ и т. п.) не безграничны. В связи с этим многие страны, включая КНР, переходят на использование экологически чистых возобновляемых источников энергии, одним из которых является теплота солнечного излучения.
Возможность эффективного использования теплоты солнечного излучения в Китайской Народной Республике зависит от региона, поскольку климатические условия в разных частях страны сильно отличаются: от умеренного континентального (запад и север) с жарким летом и суровой зимой, субтропического в центральных районах страны до тропического муссонного на южном побережье и островах, обуславливается географическим местонахождением территории, на которой находится объект (таблица).
| Таблица
Распределение солнечных ресурсов по территории Китая |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
В провинции Ляонин интенсивность солнечной радиации составляет от 5 000 до 5 850 МДж/м 2 в год (в Сочи – около 5 000 МДж/м 2 в год), что позволяет активно применять системы отопления и охлаждения зданий на основе использования энергии солнечной радиации. Такие системы, преобразующие теплоту солнечного излучения и наружного воздуха, можно разделить на активные и пассивные.
В пассивных системах солнечного теплоснабжения (ПССТ) используется естественная циркуляция нагретого воздуха (рис. 1), т. е. гравитационные силы.
В активных системах солнечного теплоснабжения (рис. 2) задействованы дополнительные источники энергии для обеспечения ее работы (например, электроэнергия). Теплота солнечного излучения поступает на солнечные коллекторы, где частично аккумулируется и передается промежуточному теплоносителю, который насосами транспортируется и распределяется по помещениям.
Возможны системы с нулевым потреблением теплоты и холода, где соответствующие параметры воздуха в помещениях обеспечиваются без дополнительных энергозатрат за счет:
- необходимой тепловой изоляции;
- выбора конструкционных материалов здания с соответствующими теплохладоаккумулирующими свойствами;
- использования в системе дополнительных теплохладоаккумуляторов с соответствующими характеристиками.
На рис. 3 представлена усовершенствованная схема работы пассивной системы теплоснабжения здания c элементами (шторы, клапаны), позволяющими более точно регулировать температуру воздуха внутри помещения. На южной стороне здания устанавливается так называемая стена Тромба, которая состоит из массивной стены (бетонной, кирпичной или каменной) и стеклянной перегородки, устанавливаемой на небольшом расстоянии от стены с внешней стороны. Наружная поверхность массивной стены окрашена в темный цвет. Через стеклянную перегородку нагревается массивная стена и воздух, находящийся между стеклянной перегородкой и массивной стеной. Нагретая массивная стена за счет излучения и конвективного теплообмена передает накопленную теплоту в помещение. Таким образом, в этой конструкции совмещаются функции коллектора и аккумулятора теплоты.
Воздух, находящийся в прослойке между стеклянной перегородкой и стеной, в холодный период времени и в солнечный день используется в качестве теплоносителя для подачи теплоты в помещение. Для предотвращения теплооттоков в окружающую среду в холодный период времени в ночное время и избыточных теплопритоков в солнечные дни теплого периода времени используются шторы, которые значительно сокращают теплообмен между массивной стеной и внешней окружающей средой.
Шторы выполняются из нетканых материалов с серебристым покрытием. Для обеспечения необходимой циркуляции воздуха используются воздушные клапаны, которые расположены в верхней и нижней частях массивной стены. Автоматическое управление работой воздушных клапанов позволяет поддерживать необходимые теплопритоки или теплооттоки в обслуживаемом помещении.
Система пассивного солнечного теплоснабжения работает следующим образом:
1. В холодный период времени (отопление):
- солнечный день – штора поднята, клапаны открыты (рис. 3а). Это приводит к нагреву массивной стены через стеклянную перегородку и нагреву воздуха, находящегося в прослойке между стеклянной перегородкой и стеной. Теплота поступает в помещение от нагретой стены и нагретого в прослойке воздуха, циркулирующего через прослойку и помещение под воздействием гравитационных сил, вызванных разностью плотностей воздуха при разных температурах (естественная циркуляция);
- ночь, вечер или пасмурный день – штора опущена, клапаны закрыты (рис. 3б). Теплооттоки во внешнюю среду значительно сокращаются. Температура в помещении поддерживается за счет поступления теплоты от массивной стены, накопившей эту теплоту от солнечного излучения;
2. В теплый период времени (охлаждение):
- солнечный день – штора опущена, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты (рис. 3в). Штора предохраняет нагрев массивной стены от солнечного излучения. Наружный воздух поступает в помещение с затененной стороны дома и выходит через прослойку между стеклянной перегородкой и стеной в окружающую среду;
- ночь, вечер или пасмурный день – штора поднята, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты (рис. 3г). Наружный воздух поступает в помещение с противоположной стороны дома и выходит в окружающую среду через прослойку между стеклянной перегородкой и массивной стеной. Стена охлаждается в результате конвективного теплообмена с воздухом, проходящим через прослойку, и за счет оттока теплоты излучением в окружающую среду. Охлажденная стена в дневное время поддерживает необходимый температурный режим в помещении.
Для расчета систем пассивного солнечного отопления зданий разработаны математические модели нестационарного теплопереноса при естественной конвекции для обеспечения помещений необходимыми температурными условиями в зависимости от теплофизических свойств ограждающих конструкций, суточного изменения солнечного излучения и температуры наружного воздуха .
Для определения достоверности и уточнения полученных результатов в Даляньском политехническом университете разработана, изготовлена и исследована экспериментальная модель жилого дома, расположенного в г. Далянь, с пассивными солнечными системами отопления. Стена Тромба размещается только на южном фасаде, с автоматическими воздушными клапанами и шторами (рис. 3, фото).
При проведении эксперимента использовались:
- малая метеостанция;
- приборы для измерения интенсивности солнечной радиации;
- анемограф RHAT-301 для определения скорости воздуха в помещении;
- термометрограф TR72-S и термопары для замеров температуры в помещении.
Экспериментальные исследования проводились в теплый, переходной и холодный периоды года при различных метеорологических условиях.
Алгоритм решения поставленной задачи представлен на рис. 4.
Результаты эксперимента подтвердили достоверность полученных расчетных соотношений и позволили скорректировать отдельные зависимости с учетом конкретных граничных условий.
В настоящее время в провинции Ляонин находится много жилых домов и школ, в которых используются пассивные солнечные системы отопления.
Анализ пассивных солнечных систем теплоснабжения показывает, что они являются достаточно перспективными в отдельных климатических регионах в сравнении с остальными системами по следующим причинам:
- дешевизна;
- простота обслуживания;
- надежность.
К недостаткам пассивных солнечных систем отопления следует отнести то, что параметры воздуха внутри помещения могут отличаться от требуемых (расчетных) при изменении температуры наружного воздуха за пределами, принятыми в расчетах.
Для достижения хорошего энергосберегающего эффекта в системах теплохладоснабжения зданий с более точным поддержанием температурных условий в заданных пределах целесообразно комбинированное использование пассивных и активных солнечных систем теплохладоснабжения.
В связи с этим необходимы дальнейшие теоретические исследования и проведение экспериментальных работ на физических моделях с учетом ранее полученных результатов.
Литература
1. Zhao Jinling, Chen Bin, Liu Jingjun, Wang Yongxun Dynamic thermal performance simulation of an improved passive solar house with trombe wall ISES Solar word Congress, 2007, Beijing China, Vols 1-V: 2234–2237.
2. Zhao Jinling, Chen Bin, Chen Cuiying, Sun Yuanyuan Study on dynamic thermal response of the passive solar heating systems. Journal of Harbin Institute of Technology (New Series). 2007. Vol. 14: 352–355.
1. Солнечные коллекторы.
Солнечный коллектор является основным элементом установки, в которой энергия излучения Солнца преобразуется в другую форму полезной энергии. В отличие от обычных теплообменников, в которых происходит интенсивная передача тепла от одной жидкости к другой, а излучение несущественно, в солнечном коллекторе перенос энергии к жидкости осуществляется от удаленного источника лучистой энергии. Без концентрации солнечных лучей плотность потока падающего излучения составляет в лучшем случае -1100 Вт/м 2 и является переменной величиной. Длины волн заключены в интервале 0,3 - 3,0 мкм. Они значительно меньше величин длин волн собственного излучения большинства поверхностей, поглощающих излучение. Таким образом, исследование солнечных коллекторов связано с уникальными проблемами теплообмена при низких и переменных плотностях потока энергии и относительно большой роли излучения.
Солнечные коллекторы могут применяться как с концентрацией, так и без концентрации солнечного излучения. В плоских коллекторах поверхность, воспринимающая солнечное излучение, является одновременно поверхностью, поглощающей излучение. Фокусирующие коллекторы, обычно имеющие вогнутые отражатели, концентрируют падающее на всю их поверхность излучение на теплообменник с меньшей площадью поверхности, увеличивая тем самым плотность потока энергии.
1.1. Плоские солнечные коллекторы. Плоский солнечный коллектор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет энергии излучения Солнца.
Плоские коллекторы могут применяться для нагрева теплоносителя до умеренных температур, t ≈ 100 o C. К их преимуществам следует отнести возможность использования как прямой, так и рассеянной солнечной радиации; они не требуют слежения за солнцем и не нуждаются в повседневном обслуживании. В конструктивном отношении они проще, чем система, состоящая из концентрирующих отражателей, поглощающих поверхностей и механизмов слежения. Область применения солнечных коллекторов - системы отопления жилых и производственных зданий, системы кондиционирования, горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом, работающие обычно по циклу Ренкина.
Основными элементами типичного плоского солнечного коллектора (рис.1) являются: "черная" поверхность, которая поглощает солнечную радиацию и передает ее энергию теплоносителю (как правило жидкости); прозрачные относительно солнечного излучения покрытия, расположенные над поглощающей поверхностью, которые уменьшают конвективные и радиационные потери в атмосферу; теплоизоляция обратной и торцевой поверхностей коллектора для снижения потерь за счет теплопроводности.
Рис.1. Принципиальная схема плоского солнечного коллектора.
а) 1 - прозрачные покрытия; 2 - изоляция; 3 - труба с теплоносителем; 4 - поглощающая поверхность;
б) 1.поверхность, поглощающая солнечную радиацию, 2-каналы теплоносителя, 3-стекло(??), 4-корпус,
5- тепловая изоляция.
Рис.2 Солнечный коллектор типа лист - труба.
1 - верхний гидравлический коллектор; 2 - нижний гидравлический коллектор; 3 - п труб, расположенных на расстоянии W друг от друга; 4 - лист (поглощающая пластина); 5- соединение; 6 - труба (не в масштабе);
7 - изоляция.
1.2. Эффективность коллектора . Эффективность коллектора определяется его оптическим и тепловым КПД. Оптический КПД η о показывает, какая часть солнечной радиации, достигшая поверхности остекления коллектора, оказывается поглощенной абсорбирующей черной поверхностью, и учитывает потери энергии, связанные с отличием от единицы коэффициента пропускания стекла и коэффициента поглощения абсорбирующей поверхности. Для коллектора с однослойным остеклением
где (τα) n - произведение коэффициента пропускания стекла τ на коэффициент поглощения α абсорбирующий излучение поверхности при нормальном падении солнечных лучей.
В том случае, если угол падения лучей отличается от прямого, вводится поправочный коэффициент k, учитывающий увеличение потерь на отражение от стекла и поверхности, поглощающей солнечную радиацию. На рис. 3 приведены графики k = f(1/ cos 0 - 1) для коллекторов с однослойным и двухслойным остеклением. Оптический КПД с учетом угла падения лучей, отличного от прямого,
Рис. 3. Поправочный коэффициент, учитывающий отражение солнечных лучей от поверхности стекла и черной абсорбирующей поверхности.
Кроме этих потерь в коллекторе любой конструкции присутствуют потери теплоты в окружающую среду Q пот, которые учитываются тепловым КПД, который равен отношению количества полезной теплоты, отведенной от коллектора за определенное время, к количеству энергии излучения, поступающей к нему от Солнца за то же время:
где Ω площадь апертуры коллектора; І - плотность потока солнечной радиации.
Оптический и тепловой КПД коллектора связаны отношением
Тепловые потери характеризуются полным коэффициентом потерь U
где Т а - температура черной поверхности, абсорбирующей солнечную радиацию; Т о -температура окружающей среды.
Величина U с достаточной для расчетов точностью может считаться постоянной. В этом случае подстановка Q пот в формулу для теплового кпд приводит к уравнению
Тепловой КПД коллектора может быть записан также через среднюю температуру протекающего через него теплоносителя:
где T t = (Т вх + Т вых) /2 - средняя температура теплоносителя; F" - параметр, обычно называемый «эффективностью коллектора» и характеризующий эффективность переноса теплоты от поверхности, поглощающей солнечную радиацию, к теплоносителю; он зависит от конструкции коллектора и почти не зависит от других факторов; типичные значения параметра F"≈: 0,8-0,9 - для плоских воздушных коллекторов; 0,9-0,95 - для плоских жидкостных коллекторов; 0,95-1,0 - для вакуумных коллекторов.
1.3. Вакуумные коллекторы. В том случае, когда необходим нагрев до более высоких температур, используют вакуумные коллекторы. В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечную радиацию, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет значительно уменьшить потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются путем применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до более высоких температур (120-150 °С), чем в плоском коллекторе. На рис. 9.10 показаны примеры конструктивного выполнения вакуумных коллекторов.
Рис. 4. Типы вакуумных коллекторов.
1 - трубка с теплоносителем; 2 - пластина с селективным покрытием, поглощающая солнечное излучение; 3 тепловая труба; 4 теплосъемный элемент; 5 стеклянная трубка с селективным покрытием; б - внутренняя трубка для подачи теплоносителя; 7 наружный стеклянный баллон; 8 вакуум