Составной параболический концентратор. В боль]

шинстве применяемых на практике солнечных энерге! тических установок степень концентрации солнечного; излучения* должна составлять около 10 или более, что] бы достигнуть высоких температур. Это можно сделать? с помощью различных следящих систем, но было бы значительно выгоднее, если бы требуемая степень кон] центрации достигалась неподвижным коллектором. Ин! тересная разновидность концентратора, первоначальна названного идеальным цилидрическим световым коллека тором, была предложена в 1974 г. Уинстоном [54]. Эт| разработка основывалась на наблюдениях излучения Черенкова в экспериментах в области физики части! высоких энергий, проводившихся в США [55] и СССІ

[56]. На рис. 3.11 показано поперечное сечение кон­струкции, известной под названием составного парабо­лического концентратора. Степень концентрации вплоть до 10 может быть достигнута без суточного слежения, если же допустимы меньшие значения степени концен­трации, примерно 3, то может не потребоваться даже сезонная корректировка. Как показано на рис. 3.11, фо­кус правой параболы лежит на основании левой парабо­лы и наоборот. Ось каждой параболы наклонена к вер­тикальной оптической оси.

Собирание тепла может осуществляться с помощью цилиндрических коллекто­ров, обладающих свойства­ми абсолютно черного тела и расположенных на осно­вании параболической кон­струкции*.

Спиральный или «раку­шечный» коллектор. Пре­образование составного па­раболического концентра­тора в односторонний пара­болический профиль, закан­чивающийся круговым отражателем, было описано Раб — лом [57]. Как показано на рис. 3.12, спиральный коллек­тор состоит из изогнутых по спирали профилей. Попадая в спираль, прямая радиация не может выйти за ее преде­лы, а продолжает отражаться в глубь спирали, пока не достигнет поглощающего элемента, изображенного на рис. 3.12 в виде круглой трубы. Для солнечных термо­электрогенераторов Смит предложил создать па­раболический входной участок, переходящий в спи­раль, и вакуумированный промежуток вокруг коллекто­ра [58]. Заявка на изобретение отражателя, профиль которого рассчитан таким образом, что все излучение, Диффузное или зеркальное, которое попадает в устрой­ство через входное сечение, должно в конце концов по­пасть на поглощающий элемент конструкции и не мо­жет быть отражено наружу, было зарегистрировано в

* Устройства, аналогичные конструкции, показанной на рис. 3.11 в терминологии, которая применяется в СССР, называются фокли — нэми. Если же такой концентратор представляет собой поверхность вРащения, то он называется фоконом. (Прим. ред.)

Австралии [59], а один из участников конкурса по сол­нечному отоплению, проводившегося в 1975 г. Ассоци­ацией развития медной промышленности в Великобри­тании, разработал логарифмическую или равноуголь­ную спиральную систему [60].

Трапецеидальный коллектор с небольшой степенью концентрации. Небольшая степень концентрации сол­нечной энергии может быть достигнута за счет того, что излучение, падающее на некоторую поверхность, отра­жается от нее на площадь меньших размеров. Поскольку фокусирование не требуется, то можно использовать как прямую, так и диффузную радиацию. Простой, легкий в

Рис. 3.13. Трапецеидальный сол-<
нечный коллектор.

1 — поглощающая пластина коллекто-} ра; 2 — прозрачное покрытие; 3 —отра­жающая поверхность; 4 — изоляция.

изготовлении коллектор этого типа состоит из ряда па­раллельных трапецеидальных неподвижных желобов,| как показано на рис. 3.13. Боковые стенки желобков имеют высокую отражательную способность, а их осно-j вания являются поглощающей поверхностью коллектор ра. Поскольку площадь поглощающей поверхности меньше общей площади коллектора, то потери тепла уменьшаются. Для описания этого эффекта можно ис] пользовать понятие «направленной селективности», чтр было продемонстрировано Холландсом для желобкої 48

V-образной конфигурации [61]. Результаты, представ­ленные в 1975 г. Бэнеротом и Хауэллом [62, 63], были использованы для разработки расчетных номограмм применительно к различной геометрии коллекторов и доказательства того, что этот тип коллектора мог бы иметь широкие перспективы для применения в установ­ках абсорбционного охлаждения, поскольку возмож­ность получения полезной энергии с помощью плоских коллекторов ограничена температурами 100—150 °С.

Коллектор с тепловой ловушкой. Эта система впер| вые была предложена Коблом [45] и разработана в уш 42

аерситете штата Нью-Мексико [46]. В ней используется прозрачное твердое тело (метилметакрилат), прилегаю­щее к обычной плоской поглощающей пластине, как по­казано на рис. 3.9. Метилметакрилат обладает высокой пропускательной способностью в видимой и ближней ин­фракрасной областях спектра в сочетании с весьма низ­кой пропускательной способностью в диапазоне более длинноволнового излучения и малой теплопроводностью. Сравнительные испытания, проведенные в университете штата Нью-Мексико, пока­зали, что такой коллектор имеет лучшие характери­стики, чем обычный плоский коллектор и коллектор струйного типа. Все три кол­лектора испытывались при рабочих температурах от 38 до 80°С. В этом диапазоне коллектор с теп­ловой ловушкой имеет бо­лее высокий КПД :и может больше времени по­лезно работать в течение дня, в меньшей степени реаги­рует на прерывистость поступления солнечной радиации, поскольку обладает относительно высокой инерцион­ностью и, по-видимому, является весьма перспективным для использования в качестве высокотемпературного коллектора.

Системы с сотовой структурой. Применение ячеистых

тигнуто без увеличения стоимости коллектора, так как! при наличии сотовой структуры требуется ТОЛЬКО ОДНО I прозрачное покрытие. Испытания коллектора с сотовой структурой из полиэтилена, представляющей собой! множество ячеек со стороной квадрата 25,4 мм и глу­биной 76,2 мм [48], показали, что такая структура эф­фективно подавляет естественную конвекцию, когда кол-! лектор занимает наклонное положение. Ранее работа ог-; раничивалась испытаниями горизонтально расположен-! ного коллектора. і

Исследователи «з университета в Лос-Анджелесе (штат Калифорния) являются сторонниками примене-! ния стекла в качестве материала с сотовой структурой^ [49, 50], поскольку оно имеет низкую теплопроводность, недорого и легко доступно. Оптические свойства стекла превосходны, поскольку оно обладает очень низкой пог-‘ лощательной способностью в солнечном спектре, а для прошедшего и отраженного потоков прямого солнечного! излучения оно является зеркальным, в результате чего, излучение сохраняет направление к поглощающей плас­тине. Для сотовой структуры, состоящей из круглых,! труб, основными конструктивными параметрами являют-‘ ся внутренний диаметр, который должен быть меньше 150 мм, и длина, которая не должна превышать учет-1 верейного диаметра. Другие рассматриваемые ячеистые материалы имеют отражающие поверхности, но если они! металлизированы, то покрытие должно быть очень тонн ким, чтобы уменьшить потери тепла теплопроводностью.] Коллектор как элемент строительной конструкции. При сооружении любого нового объекта или замене! крыши существующего здания можно получить значи­тельный экономический эффект, если солнечный кол­лектор использовать одновременно в качестве строитель­ного элемента кровли. Критерии конструирования таких коллекторов, разработанные Лос-Аламоской научной ла-1 бораторией [51], включают хорошие тепловые характер ристики, экономичность в условиях промышленного производства, применение дешевых, легко доступных ма| териалов, большой срок службы и возможность просто! го монтажа и ремонта местными строительными рабочий ми. Основные особенности конструкции коллектора по!

После сварки эти листы раздувались под давлением с целью образования каналов для потока теплоносителя. Нижний удлиненный лист пластины имеет три изгиба, об­разующих опорную конструкцию. Верхний лист согнут под прямым углом к поглощающей пластине, в результа­те чего соседние модули могут быть легко соединены меж­ду собой с помощью U-образных наконечников. Два стеклянных покрытия вставлены в профильную раму и поддерживаются по краям опорами из неопрена или си — ластика. Каждый модуль имеет около 0,6 м в ширину

Рис. 3.10. Солнечный коллектор как элемент строительной конструкции.

1 — остекление; 2 — опоры из неопрена или силастика; поддерживающие стеклянные покрытия; 3 — наконечник; 4 — поверхность коллектора; 5 — профильная рама; 6 — вспененная или стекловолокнистая тепло­изоляция; 7 — опорный элемент конструк­ции.

и от 2,4 до 6,1 мв длину. Применение наконечников, создающих сжатие и уплотнение стыков, экономит вре­мя, которое в противном случае затрачивалось бы на работы по уплотнению, выполняемые вручную на стро­ительной площадке. Вспененная тепловая изоляция уве­личивает жесткость панели. Прозрачная изоляция вы­полняется из стекла. Одна из причин применения стекла, а не пластмассы связана с проблемами уплотнения кол­лектора и компенсации расширений, которые могут воз­никнуть в связи с относительно более высокими коэф­фициентами теплового расширения пластмассовых мате­риалов. Исчерпывающие опытные данные, включая вли­яние атмосферной и внутренней коррозии, а также устойчивости материалов, были представлены на кон­грессе в Лос-Анджелесе в 1975 г. [52].

Коллекторы с распределенным потоком. Конструк­ция коллектора, в которой удалось устранить избыточ­ное внутреннее давление в каналах с водой, была раз­работана в университете штата Айова [53]. Конструк­цией предусматривается движение потока жидкости

между двумя параллельными пластинами, одна из кото-[1] рых или обе имеют рифления или углубления какой-ли-И бо иной формы или между которыми размещается по-Д ристая прокладка, например проволочная сетка. Хотя* поток теплоносителя через коллектор направлен вниз, И вся нижняя поверхность поглощающей пластины сопри-* касается с нагреваемой водой. Было показано, что ха-* рактеристики данного коллектора значительно лучше,* чем у некоторых, имеющихся в продаже обычных кол-* лекторов. При расчетной разности температур 52,5 °С* относительно температуры наружного. воздуха и пада-И ющей радиации 750 Вт/м2 полный КПД коллектора с* распределенным потоком при давлении ниже атмосфер-* ного составил 44% по сравнению с 38,4% для обычного* коллектора.’ В качестве материала поглощающей пла-1 стины такого коллектора можно использовать медный! лист толщиной 1,27 мм, прочность которого, по-видимо-] му, достаточна, чтобы противостоять сжимающему уси-] лию, обусловленному разностью атмосферного давления! и давления жидкости. Применение такого тонкого листа! меди значительно снижает сметную стоимость матер и а| лов этих коллекторов в производстве по сравнению с обычными коллекторами.

В настоящее время такие коллекторы в основной применяются для нагрева воды в плавательных бассей нах, но есть много других возможных областей приме* нения, например в тепличном хозяйстве и рыбоводстве Наиболее дешевым, простым и непосредственным споср бом нагрева любого открытого плавательного бассейн! является прямое поглощение солнечной радиации, пада-1 ющей на поверхность бассейна. Если не используются покрытия или любые другие средства, препятствующие потерям тепла с поверхности бассейна, то в летние ме­сяцы температура воды в бассейне в умеренном клима-1 те, как, например, на Британских островах обычно блиШ ка к средней температуре воздуха. Тем не менее летим плавательный сезон может быть начат раньше и закона

чен позднее на один или два месяца в результате осна­щения бассейна системой солнечного водонагрева допол­нительно к прямому нагреву в результате поглощения солнечного излучения. Другой важной задачей является уменьшение тепловых потерь бассейна. Наиболее значи­тельные тепловые потери дает испарение [40], но, к счастью, эти потери могут быть почти полностью устра­нены благодаря применению однослойного тонкого по­крытия поверхности. Эксперименты в Австралии [41] и университете штата Флорида [42, 43] показали, что ис­пользование плавающего прозрачного пластмассового покрытия может повысить среднюю температуру воды в бассейне более чем на 5°С по сравнению с аналогичным необогреваемым бассейном. В условиях Великобритании повышение температуры не столь значительно отчасти из-за худших радиационных и климатических условий, а отчасти из-за большого количества осадков, вызыва­ющих частичное затопление покрытия и снижение эф­фективности его применения. Значительное количество тепла теряется также в результате конвекции и излуче­ния. Вода в бассейнах, стены которых расположены вы­ше уровня земли, как правило, холоднее, чем в обыч­ных бассейнах. Потерями теплопроводностью в обычном бассейне можно пренебречь, поскольку практически все тепло, уходящее в землю, возвращается обратно в бас­сейн, когда температура воды в нем падает [42].

В тех случаях, когда необходимо повышение темпе­ратуры всего на несколько градусов, вполне можно ис­пользовать простой незастекленный неизолированный коллектор, при этом во многих конструкциях применя­ется черный гофрированный лист, по желобкам которо­го стекает вода, подаваемая из перфорированной тру­бы. Известные под названием «струйных», такие кол­лекторы широко использовались в США Томасоном, и в гл. 4 рассмотрены некоторые области их применения. Над гофрированным листом могут быть расположены черные покрытия различного типа или одинарный оцин­кованный лист, окрашенный в черный цвет и обернутый прозрачной пластмассой, при этом вода течет как по лицевой, так и по обратной стороне листа [44]. Для дос­тижения высокой эффективности желательно получить Равномерную тонкую пленку воды. Способ ее получения 0писан в гл. 8. В этом случае черный лист помещается Над листом из полиэтиленового набивочного материала,

представляющим собой однородную матрицу с равно­мерно распределенными пузырьками воздуха цилиндри­ческой формы. Вода течет между двумя листами. Для получения более высокой температуры на выходе необ­ходимо прозрачное покрытие. На рис. 3.8 показан экс­периментальный коллектор с покрытием из прозрачной пластмассы. Некоторые изготовители в настоящее время

используют эти покрытия в качестве стандартных элс ментов для коллекторов, обеспечивающих небольшое ПС вышение температуры.

Существует много различных подходов к конструиро] ванию солнечного іколлектора. Поэтому представляется возможным рассмотреть подробно только некоторые, на] иболее интересные тенденции. Повышение эффективно] сти, особенно при значительной разности температур нагреваемой жидкости и окружающей среды, редко мо-| мет быть достигнуто без усложнения конструкции кол лектора и увеличения его стоимости. При создании кол­лекторов, обеспечивающих небольшое повышение тем] пературы, особое внимание уделяется конструкциям^ обусловливающим весьма непродолжительный период? возврата капитала.

Все элементы и материалы, используемые в солнеч­ном энергетическом коллекторе, должны удовлетвори­тельно работать в наихудших условиях, которые могут иметь место в любой конкретной установке. Эти матери­алы должны выдерживать как высокие температуры, ко­торые могут достигаться в периоды максимальной сол­нечной радиации при остановке циркуляции жидкости через коллектор, так и низкие температуры, которые воз­можны в течение зимй. Проблемы, которые могут возник­нуть в связи с циклическими изменениями температуры или большими перепадами температур в коллекторе,

также должны учитываться при выборе материалов и I конструкции. Расчетный срок службы любого элемента коллектора важен для определения фактической стоии мости энергии, отдаваемой потребителю, и коррозия мо-1 жет быть наиболее серьезным фактором, ограничиваю-! щи-м срок службы.

В большинстве систем солнечного нагрева теплоно-j ситель, обычно вода, находится в контакте с разнороді ными металлами. Трубопроводы могут быть выполнены! из меди или нержавеющей стали, а поглощающая плас-1 тина коллектора из меди, алюминия, нержавеющей или! малоуглеродистой стали. Наличие разнородных метал-1 лов в системе является одним из наиболее важных фак-1 торов, которые могут приводить к усилению коррозии.1 Другой причиной появления коррозии является присут-1 ствие в теплоносителе растворенного кислорода [36] .1 В простейшей солнечной водонагревательной установке] вода из холодного бака проходит через солнечный кол-1 лектор и подогревает воду, направляемую к потребите! лю. Достаточное количество кислорода в такой системе! и неправильный выбор материалов для трубопроводов и! коллектора могут привести к появлению течи через весь-1 ма короткий период работы. Например, алюминиевая! панель коллектора, которая испытывалась при постоян-] ном расходе обычной водопроводной воды, содержащей] растворенную медь, вышла из строя менее чем за два] месяца [37]. Кроме того, существуют проблемы, связан-! ные в районах с жесткой водой с образованием накипи и возможными повреждениями при замораживании кол-1 лектора в зимнее время.

В замкнутых системах теплообменник расположен в] баке-аккумуляторе горячей воды и вода циркулируем через коллектор и теплообменник. В качестве теплооб! менника может быть использована стандартная медная труба. На рис. 3.7 показана экспериментальная секция! испытанная в политехническом институте в Брайтоне! Обычно в таких системах после начала коррозии содер! жание кислорода в воде снижается до приемлемого уровня. В контурах с принудительной циркуляцией прЩ неправильном. расположении насоса вода может подам ваться через расширительный бак и обогащаться кислЛ родом. В идеальном случае расширительный бак должеЛ быть герметизирован. Может стать проблемой и деятеле ность микробов, поскольку растворы некоторых анті«

38

фризов при нагревании обеспечивают идеальные условия для роста грибков, особенно в том случае, когда водо­проводная вода, используемая для заполнения системы, содержит растворенные соли. Пестициды могут снизить эту активность, а растворенные соли могут быть исклю­чены в результате применения обессоленной или дистил­лированной воды. Системы из разнородных металлов по­зволяют максимально использовать менее дорогие мате­риалы, например малоуглеродистую сталь, не имеющую покрытия, однако такие материалы будут надежно рабо­тать только в замкнутом контуре с добавкой соответству­ющего ингибитора, подавляющего растворяющую способ­ность меди. Если для защиты от замерзания к рабочей жидкости добавляется гликоль, то жидкость должна обладать соответствующими пассивирующими свойст­вами.

Ресурс работы селективной поверхности трудно оце­нить, и начальные значения а и е могут ухудшаться в процессе эксплуатации. Испытания некоторых селектив­ных поверхностей показали, что при длительной эксплу­атации є увеличивается [38]. Рассматриваются две воз­можные причины: воздействие ультрафиолетового излу­чения и влияние атмосферной влаги и загрязнений. Теп — л°вая изоляция любого коллектора должна иметь низкую теплопроводность и быть термически стойкой при макси­мально возможной температуре. Различные материалы, Используемые в коллекторе, влияют на его тепловые ха — рактеристики, однако это влияние достаточно сложно и

должно оцениваться в каждом конкретном случае. Уро-1 вень рабочих температур коллектора является особенно’ важным; например, применение селективных покрытий может быть экономически выгодно в одном случае и не-j выгодно в другом.

Исчерпывающий обзор проблем, связанных с приме] нением алюминия и меди, был сделан Попплевеллом [39]. В этом обзоре обсуждаются вопросы конструкции системы с точки зрения борьбы с коррози­ей їй представлены данные по коррозии различных мед] ных сплавов в пресной воде. Использование в качестве теплоносителя органической жидкости, не вызывающей коррозию, рассматривалось как допустимый вариант. ]

поверхностью и некоторыми реальными поверхностями показано на рис. 3.6, где представлены данные из рабо4 ты Макдональда [25]. Реальные селективные поверхнон сти не обнаруживают резкого увеличения отражательн ной способности при определенной пороговой длине! волны, и их свойства постепенно изменяются с длиной^ волны. Интегрирование спектральных характеристик та"

кой поверхности по спектру собственного излучения позволяет оценить степень ее черноты в длинноволновом диапазоне, а интегрирование в солнечном спектре — по-И глощательную способность по отношению к солнечном)* излучению. *

Влияние на характеристики коллектора увеличени числа покрытий и применения селективной поверхности иллюстрируется данными табл. 3.1, в которой приведен^ значения потерь в окружающую среду через прозрачнунЯ изоляцию при средней скорости ветра 5 м/с и температур ре наружного воздуха 10°С. Пластина коллектора ра^ сматривается при температурах 40 и 80°С; первое зн чение типично для летних климатических условий н Британских островах, а второе характерно для многи: процессов использования тепла. Потери через днище J боковые стенки коллектора не учитываются. Приведе ные цифры основаны на данных Даффи и Бекмана [Г Уменьшение потерь энергии в результате применен селективной поверхности становится все более суще< венным по мере повышения температуры поглощающ

пластины. Любое снижение потерь энергии повышает эф­фективность работы коллектора, и суммарное годовое увеличение полезной энергии, полученное за счет исполь­зования селективных покрытий, зависит от числа часов в году, когда плотность потока падающей солнечной ра­диации достаточно велика, чтобы коллектор мог достиг­нуть температур, при которых эффект применения се­лективных поверхностей становится существенным. Со-

ществлял нанесение тонкодисперсных слоев металлов на4 полированные металлические подложки; другой способ состоит в нанесении тонких полупроводящих слоев, КО-] торые поглощают коротковолновое, но пропускают длин-! новолновое излучение, в результате чего металлическая! подложка определяет низкую степень черноты В ДЛИННО-] волновом диапазоне. Создание на поверхности микроше-1 роховатости увеличит только поглощательную способ-1 ность в коротковолновом диапазоне. Поверхности с V-1 образными канавками больших размеров (относительно] всех длин волн излучения) могут быть расположены та-! ким образом, что излучение, падающее в направлениях,! близких к направлению нормали ко всей поверхности, будет несколько раз отражаться внутри канавок. Пред­полагается [16], что можно получить значение а/є, рав­ное 9, при а=0,9, где е—степень черноты поглощаю-] щей поверхности.

Метод промышленного получения селективных по­верхностей и покрытий на медной поверхности описані Клоузом [30]. Медная пластина погружается в раствор,} состоящий из одной части хлорноватокислого натрия NaC102, двух частей гидроокиси натрия NaOH и двадца-1 ти частей .воды по массе. Пластина должна находить-] ся в растворе в течение десяти минут, при температуре около 62 °С. Как обычно, рекомендуется перед погруже-1 нием очистить и обезжирить пластину. Было установле­но, что КПД коллектора с одинарным остеклением и| селективной поверхностью, полученной указанным выше! способом, примерно на 10% выше КПД обычного кол-] лектора с неселективной поглощающей поверхностью id двойным остеклением.

Некоторые известные в литературе покрытия, наноси-] мые химическим способом, представляют собой совокуп] ность слоев цинка и никеля (черный никель) [27]І окись меди на меди [27, 28] и окись меди на алюминии [29]. Технология нанесения черного хрома фирмы «Хар| шоу Хромоникс» признавалась в 1975 г. одной из луч] ших, имеющих промышленное значение [25, 31, 32]. Эта модификация хорошо известного метода нанесенні обычного декоративного черного хрома гальванически!* способом. Сравнение нескольких покрытий типа черны! хром с другими селективными покрытиями, используеі мыми в гелиотехнике, дано в табл. 3.2.

Селективная поверхность С ВЫСОКИМ отношением П0ІІ

глотательной способности к степени черноты (а/е = 20) и а~1 была получена при нанесении черного золота [33, 34] на отражающую подложку, например, медь. От­носительно недорогой электрохимический способ нанесе­ния покрытий на основе окиси хрома, известный в про­мышленности под названием «Соларокс», был разрабо­тан в Австралии [35]. Типичные значения а/е составля­ют 18 при 25°С и уменьшаются до 7,5 при 300°С.

Длинноволновое излучение, испускаемое поверхно­стью поглощающей пластины, может быть значительно уменьшено в результате обработки этой пластины с целью снижения ее степени черноты в длинноволновой части спектра без существенного уменьшения поглощательной способности в коротковолновом диапазоне. Рисунок 3.5 характеризует свойства идеальной селективной поверх­ности. Монохроматическая отражательная способность очень низка при длине волны Я>3 мкм, которая назы­вается пороговой или критической и, наоборот, очень велика при Я>3 мкм. Для подавляющего большинства плоских коллекторов температура поверхности достаточ­но мала и практически вся энергия излучается при дли­нах волн, больших 3 мкм. Различие между идеальной 3—1240 33

Каждый из трех рассмотренных выше коэффициен­тов зависит от конструктивно-физических характеристик коллектора, основными из которых являются тип и чис­ло прозрачных покрытий, а также свойства поверхности коллектора.

Примерно 98% энергии в спектре внеземного солнеч­ного излучения приходная на длины волн менее 3 мкм. Когда это излучение достигает стеклянного покрытия, Д° 90% излучения непосредственно пропускается, а ос­тальная часть отражается или поглощается стеклом. Поглощенная энергия повышает температуру стекла, ко- торое, в свою очередь, переизлучает энергию с обеих по­верхностей— внутренней и наружной. Когда температу-

ра пластаны коллектора повышается, она также излу­чает, но в диапазоне длин волн более 3 мкм, за исклю­чением незначительной части энергии, обычно менее 1%,| как для абсолютно черной поверхности при 100оС| Длинноволновое излучение, испускаемое пластиной колі лектора, не может непосредственно пройти через стекло,] поскольку его пропускательная способность практически] равна нулю в диапазоне длин волн 3—50 мкм. Это яв-|

Рис. 3.4. Спектральная пропу
скательная способность стекло
пластикового листа фирмы
«Кэлуолл».

ление хорошо известно как «парниковый эффект», применение одного или нескольких прозрачных покры­тий в значительной мере снижает тепловые потери кол­лектора. Прозрачные пластмассовые материалы также хорошо пропускают коротковолновое излучение, но обычно имеїЬт заметную пропускательную способность в длинноволновой части спектра. Для прямого йзлуче-j ния пропускательная способность зависит от угла паде­ния, как показано на рис. 3.3, где пропускательная спо собность одинарного и двойного остекления из особо] прочного прозрачного оконного стекла [18, 19] сравни® вается с пропускательной способностью стеклопластика [20]. Стеклопластик имеет исключительно хорошие свой ства в длинноволновой области спектра, как показано] на рис. 3.4. Каждое прозрачное покрытие снижает каи тепловые потери с фронтальной стороны коллектора, та і и долю падающей солнечной радиации, которая може]

достигнуть поверхности поглощающей пластины. С уче­том поглощения энергии в каждом покрытии потери на пропускание при углах падения до 35° составляют для одинарного, двойного и тройного остекления соответст­венно 10, 18 и 25% [19]. Комбинированная изоляция,

состоящая из внешнего стеклянного покрытия и внутрен­него покрытия из более дешевой прозрачной пластмас­совой пленки, может иметь преимущество, поскольку пластмасса может обладать более высокой пропуска — тельной способностью, чем стекло, а наружное остекле­ние обеспечивает в определенной степени защиту от ат­мосферных воздействий [21 ]. Расстояние между покрыти­ями или между внутренним покрытием и поглощающей пластиной не является существенным параметром [16]. Согласно [22] оптимальный зазор составляет от 10 до 13 мм, однако он может быть увеличен до 25 мм. Харак­теристики коллектора могут быть улучшены путем на­несения такого прозрачного покрытия на внутреннюю поверхность стекла, которое пропускает практически всю падающую солнечную радиацию, но отражает об­ратно любое длинноволновое излучение, испускаемое по­верхностью пластины коллектора. Обычно используются окись индия и окись олова, а также покрытие, напыляе­мое в вакууме [23] и имеющее пропускательную способ­ность, равную 0,85 в видимой части спектра (0,55 мкм), и отражательную способность около 0,97 в инфракрас­ной части спектра (4,0 мкм) [24].

Основное уравнение, хорошо известное как уравне-* ние Хоттеля — Уиллера — Блиса [12—17], определяет полезное тепло Q на единицу площади коллектора в зависимости от двух переменных — плотности потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора GK и разности средней температуры теплоносителя в коллекторе Гер и температуры окружающей среды Г0Кр ч

С?=Г[(та) GK—£/(Гср—Гокр)], (3.1)

где F — коэффициент, связанный с эффективностью пере-* носа тепла от пластины коллектора к жидкости, от­водящей тепло. Этот коэффициент зависит от конструк-’ ции поглощающей пластины, в частности от размеров каналов с нагреваемой жидкостью, толщины пластину и свойств жидкости. Кроме того, он зависит от расхода жидкости через коллектор.

Приведенная поглощательная способность (та) учи­тывает результирующее влияние оптических свойств ма­териалов коллектора в диапазоне длин волн солнечно­го спектра [17]. Фактически эта величина примерно на 5% больше произведения пропускательной способности прозрачных покрытий т и поглощательной способности пластины коллектора а, поскольку некоторое количест­во .излучения, .первоначально отраженного от поглощаю­щей пластины, отражается покрытиями обратно к плас­тине.

Коэффициент тепловых потерь Uсильно возрастаете ростом ‘скорости ветра, если нет прозрачных покрытий, однако, если имеется хотя бы одно покрытие, U возрас­тает в меньшей степени. Число прозрачных покрытий^ расстояния между ними, а также условия в воздушном промежутке коллектора могут оказывать большое влия­ние на тепловые потери, например вакуумирование кол-^ 30

лектора сильно снижает их. Оптические свойства пог­лощающей пластины и прозрачных покрытий в длинно­волновом диапазоне также влияют на коэффициент теп­ловых потерь.

Эти три параметра F, та и U, зависящие от конст­рукции коллектора, определяют тепловой режим рабо­ты, и полная эффективность коллектора ц = Q/GK мо­жет быть представлена в зависимости от разности тем­ператур (ГСр—Г0Кр) и плотности потока падающей сол­нечной радиации GK как

4 = -|r = f[(«)- -^(Гер-Т^)]. (3.2)

Температуру Гср практически невозможно измерить, но, поскольку в любом отдельном коллекторе большин­ства систем имеет место сравнительно небольшое повы­шение температуры, ее можно заменить температурой жидкости на входе Гвх. Типичные значения F составля­ют примерно 0,88—0,90, та — около 0,7 при а=0,9 и двойном остеклении из трехмиллиметрового оконного стекла, а коэффициент тепловых потерь U того же кол­лектора примерно равен 3,6. Для незастекленного и не­изолированного коллектора значение та будет близко к единице, а значение U по крайней мере вдвое больше, чем для застекленного коллектора. Методы эксперимен­тального определения F, та и U были предложены Сми­том и Вайсом [17].

Солнечная энергия может быть легко преобразована! в тепловую и во многих странах может обеспечить зна-: чительную долю нагрузки горячего водоснабжения и, отопления помещений. Одним из препятствий для ис­пользования солнечной энергии в странах, расположен­ных на высоких широтах, например в Великобритании,] является большое число дней в зимние месяцы, когда приход солнечной радиации слишком мал.

Наиболее широко известным и освоенным способом преобразования солнечной энергии в тепловую является’ применение плоского коллектора для нагрева воздуха,, воды, или других жидкостей. Термин «плоский» явля­ется несколько условным и относится как к различным коллекторам, поглощающая поверхность которых пред­ставляет сочетание плоских, желобообразных и гофри­рованных элементов, так и к различным способам пере-] носа поглощенного солнечного излучения от поверхно­сти коллектора к нагреваемой жидкости.

В последние пятьдесят лет ряд исследователей неза^

висимо создали и испытали коллекторы различного типа; первые работы были выполнены в США [1, 2], Великобритании [3], Австралии [4], ЮАР [5] и Израи­ле [6]. Испытания проводились в районах-с различным приходом солнечной радиации при использовании раз­личных методик испытаний. Главная цель этих испыта­ний заключалась в том, чтобы преобразовать в тепло как можно большую часть солнечного излучения при наибольшей достижимой температуре и наименьших за­тратах на материалы и изготовление [7].

В Англии важное исследование в этой области было выполнено Хейвудом, который начал работу в 1947 г. с проведения экспериментов по определению характе­ристик плоского коллектора [3]. Первые опыты Хей­вуд провел на небольшом коллекторе квадратной формы площадью 0,093 м2. Собираемое тепло отводилось во­дой, протекающей в каналах, припаянных с обратной стороны к зачерненной медной пластине; количество тепла, поглощенного в единицу времени, определялось при различном числе прозрачных покрытий и различных температурах поглощающей пластины. Несколько упро­щенный теоретический анализ, выполненный Хейвудом в то время, все еще используется при проектировании плоских коллекторов для бытовых целей.

Наряду с этими исследованиями принципов собира­ния тепла Хейвуд разработал солнечный коллектор площадью около 1 м2, который в течение многих лет удовлетворительно работал в его доме, примерно в 15 км к юго-востоку от Лондона. Коллектор быд изго­товлен из двух листов рифленой оцинкованной стали и установлен в системе обычного типа, работающей по принципу термосифона. Водяная емкость коллектора равнялась 22,5 л, вместимость бака-аккумулятора бы­ла примерно такой же, так что общее количество воды в системе составляло около 45 л на 1 м2 поверхности коллектора. Данное соотношение между площадью кол­лектора и количеством воды в системе отчетливо про­слеживалось и в последующих экспериментах, выпол­ненных во многих странах. Основные выводы Хейвуда, которые до сих пор сохранили свое значение, формули­руются следующим образом:

простота конструкции должна быть неотъемлемой характерной чертой установок для нагрева воды или отопления помещений;

в Великобритании теплопроизводительность сол­нечных установок существенно изменяется изо дня в день;

удовлетворительная эффективность работы солнечно­го коллектора имеет место только при продолжительной и интенсивной прямой радиации. В периоды облачности! происходит сильное снижение эффективности работы ■ солнечного коллектора; хотя диффузная радиация мо-| жет быть частично эффективной, она значительно мень — і me прямой.

Хейвуд также отметил, что измерение падающей сол-; нечной радиации, которая редко бывает одинаковой да­же в течение двух или трех дней подряд, превращает эксперимент в изнурительную работу.

В Южной Флориде, США, в конце 30-х годов обес­печение горячей водой коттеджей и многоквартирных домов, а также небольших производственных помеще­ний осуществлялось в основном за счет солнечной энергии. Обзор, выполненный Скоттом в 1974 г. [8], показал, что почти все системы работают на принципе термосифона (см. гл. 8), а солнечные коллекторы со­стоят из медных труб, припаянных к медным листам, которые покрыты черной матовой краской и помещены в корпус из оцинкованной стали. Информация постав­щиков и потребителей подтвердила, что непосредственно сами коллекторы оказались весьма долговечными, а не­которые бесперебойно проработали свыше 30 лет. Даже отрицательная температура воздуха, изредка наблюдав­шаяся в районе Майами, не приводила к выходу из строя коллекторов, сделанных из мягкой меди. Отказ; потребителей от дальнейшего использования своих сол­нечных установок был обусловлен главным образом на­рушением работы, связанным с утечкой воды из основ­ных баков-аккумуляторов, недостаточно высокой темпе­ратурой воды и значительными затратами, требуемыми при замене баков-аккумуляторов.

Проблема герметичности баков появилась в связи с, коррозией, вызванной сочетанием в установке медных труб коллекторов и стальных баков-аккумуляторов. Увеличение потребления горячей воды в быту, связан­ное с неуклонно растущим применением стиральных и посудомоечных машин, привело к тому, что многие си­стемы перестали обеспечивать потребность в горячей воде. Этот опыт оказался весьма полезным для после­дующих разработок конструкции коллектора и системы в целом.

Большой практический опыт был накоплен в 50-е го­ды в Австралии [4]. Впоследствии Австралийская на­учно-техническая организация по промышленным и ис­следовательским работам (CSIRO) опубликовала ру­ководство по основам проектирования и конструирова­ния солнечных водонагревательных установок [9]. От­мечалось, что в то время промышленное производство солнечных водонагревателей получило в стране широкое развитие, поскольку это был практически приемлемый способ удовлетворения бытовых потребностей в горячей воде при умеренных затратах. Несложные детали обо­рудования, разработанного CSIRO и другими органи­зациями, были стандартизованы и могли быть купле­ны у поставщиков по всей Австралии. Стоимость этих установок была выше стоимости традиционных устано­вок, но эксплуатационные и ремонтные издержки были значительно меньше. Исследования в Австралии также показали, что автономная солнечная установка может обеспечить потребности средней семьи в горячей воде в течение всего года, хотя более удобно, а в некоторых районах и более экономично комбинировать такие уста­новки с традиционными источниками тепла. В то время многие коммерческие фирмы начали изготавливать и поставлять солнечные водонагреватели, но большинст­во из фирм не уцелело, в основном из-за малого спро­са на некомплектное солнечное оборудование. Выжили те немногие фирмы, которые поставляли полностью укомплектованные системы, и к середине 70-х годов они захватили лидерство в этой области, создав новые системы на основе многолетнего практического опыта.

ПЛОСКИЙ КОЛЛЕКТОР

Большинство плоских коллекторов состоит из пяти основных элементов (рис. 3.1). К ним относятся:

1. Прозрачное покрытие из одного или более слоев стекла или пластмассовой пленки.

2. Трубы или каналы, которые изготовлены как одно целое вместе с поглощающей пластиной или присоеди­нены к ней и по которым протекает вода, воздух или другой теплоноситель.

3. Поглощающая пластина, обычно металлическая, с черной поверхностью, хотя можно использовать мно-

ет их от атмосферны?| воздействий.

Элементы 1 и 4 мож| но исключить из уст] ройств, предназначенные для небольшого повыше ния температуры, как, на­пример, при нагреве воды в плавательных бассей нах. Некоторые конструк ции солнечных водо — Ї воздухонагревателей продемонстрированы на рис. 3.2 Гофрированный оцинкованный стальной лист широке используется во всем мире; на рис. 3.2,а и б показа ны два способа его применения. Один из примеров про] стейшего практического использования обычных стан’ дартных панельных радиаторов [5, 10] показан на рис 3.2, в (см. гл. 8). Способы присоединения и креплени — труб к плоскому или гофрированному листу показані] на рис. 3.2, а и д, тогда как на рис. 3.2, в изображен конструкция «труба в листе», представляющая^ собо! прокатно-сварную панель, в которой трубы «образова ны» в листе, обеспечивая хороший тепловой контакт между листом и трубой. Эффективный недорогой KOjd лектор, показанный на рис. 3.2, ж, работает по прин ципу обычного охлаждающего теплообменника. Дв’ различных типа поверхности солнечного воздухонагре вателя показаны на рис. 3.2, зим,

Основные области применения плоских коллекторо можно разделить на следующие три группы:

нагрев воды в плавательных бассейнах, где требу ется весьма небольшое повышение температуры. В это» случае коллектор не нуждается в прозрачной изоляцш или тепловой изоляции днища и боковых стенок [11 Высокий расход теплоносителя обусловлен необходим!! стью ограничить, повышение температуры двумя граду сами;

28

нагрев для бытовых и других целей, где требуемая температура не превышает 60° С. В этом случае необ­ходимы теплоизоляция днища и по крайней мере одно прозрачное покрытие;

процессы, требующие подвода тепла при температу­рах значительно выше 60° С, в том числе для получения механической энергии. В данном случае необходимы бо­лее тонкие конструктивные решения, чтобы снизить теп­ловые потери коллектора в окружающую среду.

Многообразие плоских коллекторов, показанных на рис. 3.2, свидетельствует о том, что плоский коллектор является сравнительно простым элементом оборудова­ния. В идеальном коллекторе все падающее на него из­лучение должно преобразовываться в тепло. На прак­тике полезное тепло Q всегда меньше падающей сол­нечной радиации GK Это обусловлено различными фак­торами и подробный анализ тепловых характеристик плоского коллектора очень сложен. Например, потери топла излучением возрастают в четвертой степени при увеличении абсолютной температуры и становятся все олее существенны по мере того, как температура на-

29

греваемой жидкости превышает температуру окружаю^ щей среды более чем на 25° С. Первый подробный анаі лиз этих факторов был выполнен Хоттелем и Вёрцем в 1942 г. [2]. Однако сравнительно простой анализ дает весьма полезные результаты и показывает, как связань между собой основные переменные и как они влияют нг режим работы коллектора.