Классификация и выбор коллекторов солнечной энергии

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии,
преобразование ее в теплоту, а также нагрев воздуха, воды или другого теплоносителя для нужд теплоснабжения.

От технического совершенства коллектора и его стоимости зависит эффективность работы всей системы солнечного теплоснабжения и величины ее экономических показателей.

Различают фокусирующие коллекторы с концентрированием потока солнечной энергии, например, параболоцилиндрические концентраторы, фоклины и плоские коллекторы без изменения плотности потока солнечной энергии [6].

Для отопления и горячего водоснабжения наиболее пригодны плоские коллекторы солнечной энергии, позволяющие нагревать теплоноситель до 80-90°С. При температурах теплоносителя 90°С и выше целесообразно применять фокусирующие или вакуумированные стеклянные трубчатые КСЭ.

Концентраторы солнечной энергии – это оптические устройства
в виде зеркал или линз, в которых достигается повышение плотности потока солнечной энергии.

Зеркала плоские, параболоидные или параболоцилиндрические изготавливаются из стекла, полированного алюминия или других материалов с высокой отражательной способностью.

Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах России. Вместе с тем и в средней полосе их применение, в ряде случаев, может быть экономически целесообразным. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму (рис. 4):

1) цилиндрического параболоида (а);

2) параболоида вращения (б);

3) плосколинейной линзы Френеля (в).

Рис. 4. Формы концентраторов солнечной энергии:

1 – отражатель (концентратор) потока солнечной энергии;

2 – тепловоспринимающий канал теплоносителя

Так, при использовании отражателей в форме цилиндрических параболоидов они, как правило, имеют следующее устройство и принцип действия. В фокусе параболоида проходит труба 2 с теплоносителем, например, дифенилом, нагреваемым до температуры, равной 350°С. Отражатель 1 поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (рис. 4, а), что позволяет упростить его конструкцию без существенного снижения эффективности использования.

Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую энергию. С этой целью можно использовать двигатель Стирлинга. Если в фокусе параболического отражателя 1 диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности в размере 1 кВт достаточно, чтобы поднимать 2 м³ воды в час с глубины до 20 метров.

Наиболее распространенным типом коллекторов в низко - температурных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии (рис. 5). Основным элементом плоского КСЭ является лучепоглощающая поверхность 3 с каналами 5 для теплоносителя. Корпус 1 является основной несущей конструкцией, прозрачная изоляция 2 пропускает солнечную радиацию внутрь коллектора, защищает лучепоглощающую поверхность 3 от воздействия внешней среды и уменьшает тепловые потери с лицевой стороны коллектора. Прозрачная изоляция 2 выполняется из стекла или полимерных материалов, устойчивых к атмосферным и эксплуатационным воздействиям. Абсорбер 3 поглощает солнечную радиацию и по каналам 5, соединенным с его теплоприемной поверхностью, передает тепло теплоносителю. Тепловая изоляция 4 предназначена для уменьшения тепловых потерь с тыльной и боковой поверхностей коллектора.

Рис. 5. Конструкция плоского солнечного коллектора:

1 – корпус; 2 – прозрачная изоляция;

3 – лучепоглощающая поверхность; 4 – тепловая изоляция; 5 – канал теплоносителя

Лучепоглощающая поверхность 3 имеет селективное покрытие, отличающееся высоким коэффициентом поглощения в видимой
и ближней инфракрасной областях солнечного спектра и низкий коэффициент излучения в области спектра, соответствующего рабочим температурам коллектора. У лучших современных коллекторов коэффициент поглощения находится в пределах 94-95%, коэффициент излучения 3-8%, а КПД в области рабочих температур, типичных для систем теплоснабжения, превышает 50%. Неселективное черное покрытие лучепоглощающей поверхности 3 в современных конструкциях солнечных коллекторов используется редко, вследствие высоких потерь лучистой энергии.

На рис. 6 показаны основные схемы жидкостных и воздушных КСЭ.

Тепловая эффективность плоских КСЭ повышается путем снижения оптических и тепловых потерь благодаря применению: 1) нескольких слоев прозрачной изоляции (остекления); 2) селективных покрытий; 3) вакуумирования пространства между лучепоглощающей поверхностью и прозрачной изоляцией и т. п.

В КСЭ могут применяться тепловые трубы, обладающие такими преимуществами, как отсутствие расхода энергии на подачу теплоносителя в КСЭ и низкая тепловая инерция.

Наиболее высокую эффективность имеют вакуумированные стеклянные трубчатые коллекторы (ВСТК). В них каждый элемент лучепоглощающей поверхности помещается в отдельную стеклянную трубу, внутри которой создается вакуум, благодаря чему потери тепла за счет конвекции и теплопроводности воздуха снижаются до минимума. Селективное покрытие на поверхности лучепоглощающей поверхности позволяет минимизировать потери на излучение. В результате КПД вакуумного коллектора получается существенно выше, чем у плоского коллектора, но и стоимость его значительно выше.

Коэффициент полезного действия коллектора солнечной энергии (мгновенный) равен:

, (1)

где q_к – удельная теплопроизводительность КСЭ, то есть количество полезной теплоты, получаемой с 1 м² площади КСЭ за единицу времени, Вт/м²; I_K – плотность суммарного потока солнечной радиации, поступающей на поверхность КСЭ, Вт/м²; m_k – удельный массовый расход теплоносителя в КСЭ, кг/(м²·с); с_р – удельная изобарная массовая теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К); t_т.н, t_т.к – температура теплоносителя на входе и выходе из КСЭ, °С.

Мгновенный коэффициент полезного действия плоского КСЭ равен:

, (2)

где К_к – эффективный коэффициент теплопередачи КСЭ, Вт/(м²·К); t_в – температура наружного воздуха, °С; η₀ – эффективный оптический КПД КСЭ.

Рис. 6. Схемы жидкостных (а-г) и воздушных (д-к) коллекторов солнечной энергии

На рис. 6 приняты следующие обозначения: 1 – прозрачная изоляция; 2 – лучепоглощающая поверхность; 3 – труба с теплоносителем;

а –трубы с теплоносителем, припаянные к лучепоглощающей поверхности снизу; б – типа «труба в листе»; в – со штампованной лучепоглощающей поверхностью; г – вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор; д, е – КСЭ с плоскими лучепоглощающими поверхностями; ж, з – КСЭ с ребристой и гофрированной лучепоглощающей поверхностью; и – КСЭ матричного типа; к – КСЭ с наполовину зачерненными стеклянными пластинами

Характеристика КСЭ – зависимость η_к от (t_т.н-t_в)/I_ж определяется при его испытании и изображается прямой с нулевой ординатой, равной оптическому КПД при нормальном падении лучей , а тангенс угла наклона прямой дает величину К_к. Эффективный оптический КПД для КСЭ с южной ориентацией при однослойном остеклении
составляет η₀=0,95× и при двухслойном остеклении - η₀⁼0,93× . При наличии теплообменника в контуре КСЭ величины К_к и η₀ необходимо умножить на 0,97.

КПД КСЭ равен нулю в том случае, если плотность потока солнечной энергии I_к не превышает критического значения I_кр:

. (3)

Следовательно, η_к > 0 при I_к > I_кр.

Средняя величина КПД КСЭ за определенный период времени (день, месяц, год) равна:

, (4)

где: – средняя плотность потока солнечной энергии для рассматриваемого периода, Вт/м².

Суммирование производится только для тех отрезков времени, когда I_к > I_кр.

В табл. 1 приведены значения максимальной температуры теплоносителей t_т^макс, оптического КПД η₀, коэффициента теплопередачи К_к и удельной стоимости основных типов КСЭ.

Теплопроизводительность КСЭ. Мгновенное количество полезной энергии, даваемой КСЭ, Вт, равно:

Q_к=F_к×[I_к×h_о-K_к×(t_т.н-t_в)]=m_к×c_р×F_к×(t_т.к-t_т.н), (5)

где F_к – площадь поверхности КСЭ, м².

Среднемесячная удельная суточная теплопроизводительность КСЭ, МДж/(м²·день) определяется как:

q_к=E_к× ×h_о, (6)

где Е_к – среднемесячное поступление солнечной энергии на поверхность КСЭ за день, МДж/(м²·день); – среднемесячная величина степени использования солнечной энергии в КСЭ, то есть доля общего количества солнечной энергии, поступающей на поверхность КСЭ при I_к > I_кр.

Таблица 1.

Основные технические данные коллекторов солнечной энергии

Годовая теплопроизводительность системы солнечного теплоснабжения (ССТ) Q_c^год меньше годовой теплопроизводительности коллектора Q_к^год на величину теплопотерь в трубопроводах, аккумуляторе теплоты и системе распределения теплоты, а также на величину неиспользованного избытка полезной энергии, которая тем больше, чем больше площадь КСЭ и меньше доля нагрузки горячего водоснабжения [1].

Максимальная годовая теплопроизводительность плоского КСЭ в IV климатической зоне (г. Ташкент) составляет 750-1000, а в III зоне
(г. Саратов) – 450 - 650 кВт/(м²·год). Так, при Е_к=1250 кВт·ч/(м²·год), Т_в^год =

8 °С, Т_г.в.=60 °С, Q_к^год=500 кВт·ч/(м²·год). Потери в системе ССГВ достигают 30% и Q_с^макс=350 кВт·ч/(м²·год). В системах ССТ площадь КСЭ значительно больше, чем в ССГВ, летом возникает неиспользуемый избыток теплоты и Q_c^макс=200 кВт·ч/(м²·год). Наиболее существенно на Q_c влияют метеорологические параметры (Е, Т_в и E_Д/E), характеристики КСЭ (К_ж, η_о, угол наклона β и коэффициент поглощения α_к), аккумулятора теплоты (V_ак и К_ак) и трубопроводов (K_тр и длина L_тр), доля нагрузки горячего водоснабжения Q_г.в./Q_н.

Величина зависит от величин η_о и К_к КСЭ, а также от местоположения и назначения гелиосистемы. Эту зависимость можно представить в виде формулы:

= 1 – а₁×Р + а₂×Р², (7)

где Р = (t_т.н.-t_в)/ ;(8)

t_т.н. и t_в – среднемесячные температуры теплоносителя на входе
в КСЭ и наружного воздуха, °С; – среднемесячная величина коэффициента ясности атмосферы; а₁, а₂ – коэффициенты для основных типов КСЭ, приведенные в таблице 2.

Таблица. 2.

Характеристики коллекторов солнечной энергии

Оптимальная ориентация КСЭ – южная. При отклонении до 30° к востоку или западу от южного направления годовое количество поступающей солнечной энергии уменьшается на 5-10%.

Оптимальный угол наклона КСЭ β равен: географической широте местности φ для систем круглогодичного действия; β=φ+15° для систем, работающих только в отопительный сезон; β=φ–15° для систем, работающих только в летний период.

КСЭ можно размещать на наружных ограждениях здания (крыше, стенах, ограждениях балконов и т. п.) или отдельно от него. Стоимость ССТ значительно снижается при совмещении КСЭ с крышей здания. Теплопроизводительность КСЭ снижается на 2-5% при затенении непрозрачными элементами конструкции и запылении.

При большой площади КСЭ отдельные его модули соединяются между собой по параллельно-последовательной схеме, образуя массив или поле КСЭ. Эффективность поля КСЭ практически всегда ниже КПД отдельного модуля из-за теплопотерь соединительных трубопроводов, неравномерности распределения теплоносителя и тепловой инерции.