Транспортировка газа 4 страница

1 – отражатель

2 – приемник

а) – параболоцилиндрический концентратор

б) – фоклин

в) – параболоидный концентратор

г) – концентратор с линзой Френеля

Фокусирующие коллекторы применяются там, где требуются высокие температуры. Кроме плоских и фокусирующих применяются стеклянные, трубчатые, вакуумулированные коллекторы, солнечные пруды, представляющие собой комбинацию КСЭ и аккумулирование теплоты.

Эффективность солнечных коллекторов и методы ее повышения.

Показателем эффективности КСЭ является его КПД, равный отношению тепло- производительности коллектора к количеству солнечной энергии, поступившей на СК:

,где Ек – количество солнечной энергии, поступившей на единицу площади коллектора

А – площадь абсорбера

Величину Qк можно определить по расходу теплоносителя:

, где m – расход теплоносителя

с – удельная теплоемкость

Т₁, Т₂ – температура теплоносителя на входе и на выходе из коллектора

КПД коллектора можно определить через эффективный оптический КПД и коэффициент теплопотерь:

( )

где Т₁ – температура на входе

Т₂ - температура окружающей среды

Iк – интенсивность потока солнечной энергии, поступающей на поверхность

[Вт/м²]

( ) дает мгновенное значение КПД, которое может быть усреднено для любой величины. Отсюда следует, что среднее значение КПД солнечного коллектора будет значительно ниже, чем максимальное значение в полдень. Возникает вопрос: отчего же в большей степени зависит значение КПД? Наиболее сильное влияние на КПД КСЭ оказывают следующие факторы:

1. интенсивность СЭ и температура наружного воздуха

2. конструктивные характеристики коллектора и свойства лучепоглощающей поверхности, а именно: материал, толщина листа, коэффициент теплопроводности изоляции, шаг труб, число слоев остекления

3. рабочие параметры КСЭ: расход теплоносителя и его температура на входе в СК

При сравнении различных материалов, используемых для изготовления коллекторов и абсорбера, а именно: магния, алюминия, стали и пластмассы установлено, что, с увеличением толщины листа и его теплопроводности, значение КПД коллектора повышается.

- толщина листа

- теплопроводность

Так, при толщине лучепоглощающего слоя 1 мм из меди, алюминия, стали, пластмассы, их КПД составляет соответственно:

=1 мм

= 390; 205; 45; 0,6; Вт/м °С

= 52 50 48 22 %

Mg Al Cт пласт

При возрастании интенсивности излучения от 300 до 1000 Вт/м² КПД коллектора повышается с 39 до 58%, а при увеличении Тв с 10 до 30°С, КПД повышается с 41 до 55%. Очевидно, что в холодное время КПД коллектора весьма низок.

Большое влияние на КПД оказывает температура теплоносителя на входе в коллектор. Чем ниже t₁, тем ниже тепловые потери солнечного коллектора и выше КПД.

При повышении m КПД возрастает до определенного предела, а затем остается постоянным, т. е. существует оптимальный расход теплоносителя. КПД КСЭ сильно повышается при применении абсорбера с силиктивным покрытием, характеризуемым большим отношением поглощающей и излучательной способностью.

При однослойном остеклении абсорбера изменение степени силиктивности наблюдается с 1 до12, при этом КПД повышается с 45 до 60%.

Для горячего водоснабжения с помощью КСЭ требуемая разность температур Т₁-Тв 20-50°С. Применение двухслойного остекления снижает тепловые потери коллектора, но при этом увеличиваются оптические потери.

Для отопления зданий требуется большая разность температур, которую могут обеспечить только вакуумированные или с плоским силиктивным абсорбером.

1-е место в мире по количеству установленных коллекторов занимают США, где где общая площадь коллектора составляет более 10 млн. м². В Японии – более 8 млн. м², Израиль – 1,75 млн. м² и Австралия – 1,2 млн. м².

На одного жителя Израиля приходится 0,45 м².

Повышение эффективности солнечных коллекторов может быть достигнута путем применения концентраторов силиктивного поглощающего покрытия абсорбера, вакуумированния пространства внутри коллектора, несколько слоев прозрачной изоляции, сотовой ячеистой структуры в пространстве между абсорбером и остеклением и анти отражательных покрытий на остеклении.

Наиболее эффективным способом повышения КПД КСЭ является силиктивное покрытие: представляет собой тонкопленочные фильтры на металлической основе. Они состоят из черного никеля и черного хрома, наносимого электро-химическим способом. Покрытие черным хромом наиболее перспективно для получения требуемых оптических свойств при температурах до 400 °С. Плотность электрического потока при нанесении черного хрома почти в 100 раз выше, чем для черного никеля, поэтому такие силиктивные покрытия с хромом получатся значительно дороже.

Вакуумированные стеклянные трубчатые коллекторы.

Известно, что поддержание вакуума ниже 1,33 Па в производстве между лучепоглощающей поверхностью и абсорбером и и прозрачной оболочкой существенно увеличивается КПД коллектора.

Возможны различные варианты конструктивного выполнения стеклянных трубчатых коллекторов:

3 2 2 1 2 3 4 1 1 1

1 – стеклянная оболочка

2 – трубка для нагревательной жидкости

3 – луче поглощающая поверхность

4 – отражатель

1 4 3 2 5

1 – стеклянные трубки

2 - трубка для нагревательной жидкости

3 – луче поглощающая поверхность

4 – отражатель

5 – теплоизоляция

Луче поглощающая поверхность расположена под вакуумированными трубками и надежно соединена с трубами для нагреваемой жидкости, помещенными в теплоизоляцию.

Обычно модуль включает до 10 стеклянных вакуумированных труб, присоединенных к общей трубе, но по которой движется нагреваемая жидкость. Как правило, весь модуль помещается в теплоизоляционный корпус. Слабым звеном является узел соединения стеклянных деталей, имеющий различный коэффициент линейного расширения.

металл

стекло стекло

В качестве теплоносителя в вакуумированных коллекторах используется вода, растворы различных веществ, силиконовое масло, этиленгликоли.

Аккумуляторы теплоты.

Необходимость аккумулирования теплоты в гелио системах обусловлено в несоответствии во времени поступления и потребления солнечной теплоты. Поток солнечной радиации изменяется от 0 в ночное время до максимума в полдень.

Е

Q Е Q 8 12 16 20 0 4 ,час

Е₃ Е₁

Запас энергии в аккумуляторе может быть рассчитан на несколько часов или суток при кратковременном аккумулировании и на несколько месяцев при сезонном аккумулировании.

Е

Q

Е Q 1 6 12 , месяц

Следует отметить , что применение сезонных аккумуляторов пока экономически не целесообразно. В целом же применение аккумуляторов теплоты повышает эффективность гелио системы и надежность теплоснабжения. Низко температурная система аккумулирования теплоты охватывает диапазон от 30°С до 100°С и используется в системах воздушного (до 30°С), водяного(30-90) и горячего водоснабжения (45-60). Система аккумулирования теплоты содержит резервуар, аккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется накопление и хранение тепловой энергии, теплообменное устройство для подвода и отвода теплоты при разрядке и зарядке аккумулятора и тепловую изоляцию.

Аккумулятор классифицируют по характеру физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах:

1. Аккумуляторы емкостного типа – в них используется теплоноситель без изменения его агрегатного состояния (галька, природный камень, водные растворы солей)

2. Аккумуляторы фазового перехода тепла – в них используется теплота плавления или затвердевания вещества

3. Аккумуляторы энергии – основанные на выделении и поглощении тепла при обратимых и фотохимических реакциях. В аккумуляторах первой группы происходят одновременно процессы охлаждения или нагревания материала, либо через теплообменник.

Требование к теплоаккумулирующим материалам – это повышенная теплоемкость и энтальпия фазового перехода при достаточно высокой теплопроводности, высокая плотность материала и его химическая стойкость, безопасность и токсичность, низкая стоимость.

Аккумуляторы теплоты емкостного типа.

Количество теплоты, которое может быть накоплено в аккумуляторе, может быть рассчитано по формуле:

, где m – масса теплоаккумулирующего тепла

С – удельная теплоемкость

Т₁, Т₂ – средняя начальная и конечная

температура теплоаккумулирующего вещества

Для сезонного аккумулирования теплоты перспективно использование подземных водоемов, скальные породы и других природных образований. В крупных теплоаккумулирующих системах используются стальные и железобетонные резервуары емкостью до 100 тыс. м³, в которых вода может сохраняться длительное время с температурой 80-95°С.

Положительный опыт в сезонном аккумулировании теплоты имеется в Швеции. Где с помощью гелиосистем и накопления сезонного тепла отапливаются целые поселки. Аккумуляторы теплоты солнечных установок небольшой мощности.

8 от КСЭ 3 4

к 2 1 5 6 7 4