По сравнению с обычными системами теплоснабже­ния солнечные установки требуют более .тщательного проектирования, конструирования элементов, монтажа и эксплуатации. Для обеспечения надежной и эффектив­ной работы солнечных установок в течение всего рас­четного периода необходимо осуществить правильный выбор гелиотехнического оборудования и материалов для его изготовления и произвести качественно работы по установке и монтажу оборудования.

Материалы для изготовления корпуса солнечного кол­лектора. Основными элементами активной гелиосистемы являются коллектор солнечной энергии и аккумулятор теплоты. Для изготовления этих элементов системы ис — пЬЙьзуются различные материалы — металлы, пластмас­сы, стекло, бетон, дерево, полимерная пленка, теплоизо­ляционные материалы, резина. Основным требованием к выбору материалов является требование совместимо­сти конструкционных материалов с рабочими жидкостя­ми при условиях эксплуатации. Особенностью работы солнечных коллекторов является воздействие на них внешней среды. Поэтому корпус коллектора, вмещающий такие конструктивные элементы, как лучепоглощакмцая поверхность с трубами или каналами для теплоносителя, остекление, тепловая изоляция, должен надежно защи­щать их от воздействия внешней среды, предохраняя от попадания влаги, пыли, вредных веществ.

Корпус коллектора может быть изготовлен из оцин­кованного железа, алюминия, стеклоткани, дерева, кау­чука, композиционных материалов и др. Выбор мате­риала осуществляется в соответствии с конструкцией и с учетом наличия материала. Так, для вакуумированщго солнечного коллектора требуются трубы из высококаче­ственного боросиликатного стекла.

Все материалы, используемые для изготовления эле­ментов коллектора, должны выдерживать максимальнее и минимальные рабочие температуры. Внутри корпуса коллектора должно быть предусмотрено свободное про­странство для расширения абсорбера, температура кото­рого может достигать 200 °С и более (при отсутствии теплоносителя).

Материалы для лучепоглощающей поверхности кол­лектора. При выборе конструкционных материалов для изготовления элементов гелиосистем необходимо учиты­вать их совместимость с рабочими жидкостями. При этом для предотвращения коррозии необходимо учитывать следующие рекомендации.

Алюминий нельзя применять в случае прямого контакта с водопроводной водой (pH=5-^9) без ее хи­мической обработки и добавления ингибитора коррозии. Он может применяться при прямом контакте с дистил­лированной или деионизированной водой, содержащей ингибитор коррозии при условии отсутствия контакта с железом или медью, которые, обладая менее положи­тельным электродным потенциалом, образуют, с алюми­нием гальванические пары. Кроме того, алюминий мо­жет работать с безводными органическими жидкостями. Скорость воды и водных растворов в трубопроводах не должна превышать 1,25 м/с.

Медь и ее сплавы можно применять при пря­мом контакте с дистиллированной и деионизированной водой или с водопроводной водой с низким содержанием хлоридов, сульфатов и сульфидов, а также с безводными органическими жидкостями. Медь нельзя применять в следующих случаях:

1) при прямом контакте с водными растворами с вы­соким содержанием сульфида водорода, хлоридов и суль­фатов;

2) при прямом контакте с водой и с водными раство­рами при скорости их движения более 1,25 м/с и при pH до 5.

Сталь рекомендуется применять при прямом кон­такте с дистиллированной и деионизированной водой или с водой, содержащей ингибиторы коррозии (pH=84-12), при низком общем солесодержании. Ее нельзя применять в прямом контакте с необработанной водопроводной во­дой, дистиллированной или деионизированной водой с pH более 12 или pH до 8.

Оцинкованную сталь (железо) следует применять для внутренней обшивки аккумуляторов теп­лоты с катодной защитой и с безводными органическими жидкостями. Ее нельзя применять в прямом контакте с водой и водными растворами, содержащими ионы меди или имеющими pH более 12 или pH до 8, а также при температуре воды выше 55 °С.

Н е р ж а в е ющ а я сталь должна обладать высо­ким сопротивлением к питтинговой коррозии, межкри — сталлнтной коррозии и коррозионному растрескиванию в рабочих средах. Ее можно применять при контакте с безводными органическими жидкостями. Во всех ос­тальных случаях выбор — марки нержавеющей стали дол­жен быть основан на ее совместимости с конкретной жид­кой средой.

Пластмасса, резина, каучук, компози­ционные материалы хорошо совместимы с жид­кими теплоносителями — водой и другими жидкостями. Однако масштабы их применения в гелиотехнике пока невелики.

Материалы должны обладать следующими характе­ристиками:

хорошей устойчивостью к воздействию ультрафиоле­тового излучения и атмосферных факторов — осадков, загрязнений и т. п.;

способностью выдерживать колебания температур от —25 до 150 °С;

достаточной механической прочностью и пожаро­безопасностью.

Недостатки пластмасс: деградируют под действием ультрафиолетового излучения и не выдерживают высо­ких температур, которые могут развиться при отсутствии теплоносителя в коллекторе.

Выпускаемые в СССР плоские коллекторы солнечной энергии имеют низкие оптико-теплотехнические характе­ристики, отличаются большой удельной массой (50— 60 кг/м2 при изготовлении КСЭ из стального штампован­ного радиатора в стальном корпусе и 40 кг/м2 в алюми­ниевом корпусе). Если применять пластмассы, каучук, резину и композиционные материалы, то масса коллекто­ров уменьшится до 5—10 кг/м2. В ФРГ и Франции вы­пускаются КСЭ из синтетического каучука и оребренных пластмассовых труб, выдерживающих как низкие (до —30 °С), так и высокие (до ПО—140 °С) температуры, не портящихся под действием ультрафиолетового излу­чения, имеющих высокую эффективность и низкую стои­мость. Себестоимость 1 кВт-ч производимой в пластмас­совых КСЭ теплоты в 10—12 раз ниже, чем в металли­ческих, и в 4—5 раз ниже, чем при сжигании жидкого топлива или при использовании теплового насоса.

Очевидно, нужно направить усилия на производство новых типов солнечных коллекторов из современных ма­териалов, включая полимерные и композиционные мате­риалы. В низкотемпературных солнечных установках, предназначенных для получения горячей воды в индиви­дуальных жилых домах, дачных поселках и на сельско­хозяйственных объектах, а также для обогрева плава­тельных бассейнов, целесообразно использовать пласт­массовые коллекторы. Некоторые конструкции подобных коллекторов будут описаны ниже.

Материал прозрачной изоляции солнечных коллекто­ров. Прозрачная изоляция предназначена для снижения тепловых потерь КСЭ и предотвращения попадания осадков внутрь него. ^Обычно используется один или два слоя прозрачной изоляции КСЭ, но могут также приме­няться КСЭ без прозрачной изоляции, а иногда и КСЭ с тремя слоями изоляции. Материал прозрачной изоля­ции должен обладать высокой пропускательной способ­ностью для солнечной радиации (длина волн от 0,3 до

2,5 мкм) и быть практически непрозрачным для длинно­волнового (более 3 мкм) теплового излучения, испускае­мого поверхностью абсорбера.

Обычно используется оконное стекло. Лучше всего применять стекло с низким содержанием оксидов желе­за. Стекло должно быть изолировано от металлических поверхностей с помощью резиновой П-образной проклад­ки и уплотнения во избежание его повреждения или об­разования трещин в результате возникновения тепловых напряжений.

Альтернативным материалом прозрачной изоляции является полимерная пленка, обладающая, к сожалению, существенным недостатком, связанным с деградацией под действием ультрафиолетового излучения. Однако,

учитывая ее низкую стоимость, ее все же целесообразно применять. Выше были описаны конструкции гелиосуши­лок с применением полимерной пленки. В последующих разделах будет дана дополнительная информация по при­менению полимерных материалов для изготовления кол­лекторов. Полимерная пленка лучше (по сравнению со стеклом) пропускает солнечное излучение, поэтому при двухслойной прозрачной изоляции можно один слой стек­ла заменять полимерной пленкой. Для повышения срока службы пленки ее необходимо специально обработать с целью повышения стабильности по отношению к воз­действию ультрафиолетового излучения.

Теплоизоляционные материалы для коллекторов. Теп­лоизоляционный материал должен отвечать следующим требованиям. Он должен иметь низкий коэффициент теп­лопроводности Я, низкую плотность р, высокую темпера­туру плавления, высокую сопротивляемость различным вредным воздействиям и влиянию погодных условий. Наилучшими теплоизоляционными материалами являют­ся пенополиуретан и полистирол, могут применяться так­же минеральная вата и стекловата.

Характеристики некоторых наиболее употребительных в конструкциях коллекторов теплоизоляционных мате­риалов приведены в табл. 9.

Таблица 9. Теплоизоляционные материалы Материал X, Вт/ (м. К) Т, °С р, кг/м* Полистирол 0,035 80 0,02 Пенополиуретан 0,028 100 0,035 Пенопласт 0,03-0,08 150 0,4—0,7 Поливинилхлорид 0,035 130 0,04—0,08 Полиметакриламид 0,029-0,035 160 0,03—0,2 Минеральная вата 0,038 200 0,145 Стекловолокно 0,036 300 0,12

Уплотнительные материалы и проклад­ки. Для уплотнения стекла в корпусе солнечного кол­лектора лучше всего подходит силиконовая резина. Уп­лотнительные прокладки необходимо помещать с обеих сторон стекла. Для этого прокладка должна иметь П-об — разную форму с зазором для стекла.

Материалы селективных покрытий. В гл. 5 подробно описаны селективные поглощающие по­крытия для лучепоглощающей поверхности солнечного коллектора и способы их получения. Более детальные сведения содержатся в специальной литературе.

Теплоносители для солнечных кол­лекторов (табл. 10). В жидкостных системах горя-

Таблица 10. Свойства теплоносителей для КСЭ (при 20°С) Показатель f? o Я 2? л 8 1 Углеводороды а К О 02 ! j Воздух ias а> ч л к ч <SS Проти гликолі (50 %) ч 5 х <в и Ж аромати­ ческие’ парафи­ новые Температура замерзания т 9С і зам» Vj 0 — —36 —33 — -60-ь -ь-Ю — Температура КИПЕНИЯ Ткап, °С 100 по 106 180-340 Удельная теп­лоемкость Ср, кДж/(кг-К) 4,187 1,005 3,3 3,6 1,4—2 1,5-2,1 1,8-2,6 Теплопровод­ность X, Вт/(м-К) 0,68 0,026 0,43 0,42 0,16 0,13 0,13 Вязкость, V, 10-е м»/с 0,9 16,06 3,4 5 10— 50 9-50 1-60

чего водоснабжения и отопления в качестве теплоноси­теля в солнечном коллекторе используются в основном вода или незамерзающая жидкость — антифриз. В воз­душных системах применяются коллекторы, в которых нагревается воздух. Вода как теплоноситель имеет опре­деленные преимущества и недостатки в сравнении с воз­духом. Вода имеет хорошие теплофизические свойства (теплоемкость, коэффициент теплопроводности, вязкость, плотность), однако при отрицательных температурах на­ружного воздуха она замерзает в трубопроводах и других элементах гелиосистемы. Поэтому необходимо принимать меры по предотвращению ее замерзания. Серьезную про­блему представляет коррозионная активность воды по отношению к большинству конструкционных материалов. Воздух не замерзает и не вызывает коррозии, но его теп-

11—675

лофизические свойства значительно уступают воде. Раз­меры воздуховодов и каналов для потока воздуха намно­го больше размеров конструктивных элементов жидкост­ных систем. Кроме того, вентиляторы в воздушных системах потребляют большое количество энергии и соз­дают шум. Воздушный поток должен омывать всю по­верхность абсорбера для обеспечения эффективного теп­лообмена с лучепоглощающей поверхностью.

В жидкостных системах наряду с водой используются также незамерзающие теплоносители — этилен — и про — пиленгликоль и др. Их недостатком является малый срок службы (до 3—5 лет). Пропиленгликоль в отличие от этиленгликоля не токсичен. Токсичность воды зависит от вида применяемого ингибитора коррозии. Углеводород­ные теплоносители мало токсичны. Не следует применять фреоны, поскольку они разрушают озонный слой атмо­сферы Земли.

Свойства некоторых материалов для изготовления гелиосистем, а также селективных поглощающих покры­тий приведены в табл. 11 и 12.

Материалы для аккумуляторов теплоты. Достаточно подробное описание методов аккумулирования теплоты,

Таблица 11. Свойства материалов для гелиосистем Материал С, кДж/ (кг-К) р, кг/м* К, Вт/ (м • К) а в Строительные материалы Бетон 0,834 1920— 0,8— 0,6— 0,88т- 2240 1,73 0,98 0,97 Кирпич 0,921 1920— 2080 0,6—1,3 0,26— 0,89 0,93 Древесина 2,51— 2,93 350—740 0,1— .0,16 0,6 0,9 Керамическая плитка 0,8 Металлы 1,7-2,9 0 to 1 о 00 0,6-0,9 Сталь 0,5 7830 45 0,8—0,9 0,85 Железо окислен­ное Алюминий: 0,5 7 10 55 0,8- 0,94 0,94 полированный 0,88 2740 202 0,1—0,4 0,03 0,09 окисленный 0,88 2740 202 0,4- 0,65

Таблица 12. Характеристика основных селективных поглощающих покрытий Покрытие Поглощательная способность в диапазоне солнечного излучения а_ с Излучательная способность в диапазоне инфракрасного излучения ет Степень селективности покрытия Черная краска: 0,95—0,98 0,9-0,97 матовая 1 силиконовая 0,94 0,4 2,35 акриловая 0,92—0,97 0,84-0,9 1,1 Черный хром 0,87—0,93 0,1 9 Черный хром на 0,92—0,94 0,07—0,12 8-13 никеле Черный никель на 0,93 0,06 15 никеле Черный цинк 0,9 0,1 9 Оксид меди на алюминии 0,93 0,11 8,5

а также теплоаккумулирующих материалов, применяе­мых в жидкостных и воздушных гелиосистемах горячего водоснабжения и отопления, дано в § 6, а в табл. 4 дана сравнительная характеристика этих материалов; Для во­донагревательных установок и жидкостных систем отоп­ления лучше всего ‘применять воду в качестве теплоак­кумулирующего материала, а для воздушных гелиосис­тем—гальку, гравий ит. и. Однако следует иметь в виду, что галечный аккумулятор при одинаковой энергоем­кости по сравнению с водяным аккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь. Например, водяной аккумулятор диаметром

1,5 и высотой 2,4 м имеет объем 4,3 м3, в то время как галечный аккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объем 13,8 м3.

Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода ве­щества. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккуму­лирования соответствует теплоте сгорания: нефть — 11,3, уголь (условное топливо) — 8,1, водород — 33,6 и древеси­на— 4,2кВт<ч/кг. При термохимическом аккумулирова­нии теплоты в цеолите (процессы адсорбции — десорб­ции) может аккумулироваться 286Вт-ч/кг теплоты при разности температур 55 °С. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галь­ка, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60 °С составляет 14—17Вт-ч/кг, а в воде — 70Вт-ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление — затвердева­ние) плотность аккумулирования значительно выше: лед (таяние)—93, парафин — 47, гидраты солей неоргани­ческих кислот — 40—130 Вт-ч/кг.

Свойства теплоаккумулирующих веществ приведены в табл. 13 и 14.

Таблица 13. Свойства твердых и жидких теплоаккумулирующих материалов Материал р, кг/ма С, кДж/ (кг-К) К. Вт/ (м • К) — Теплоакку­мулирующая способность при дг=20 к. МДж/м* Вода (давление 0,1 МПа) 1000 4,19 0,6 73,4 Камень (природный) 3100 0,83 52,6 Бетон (с легкими запол- 1000 1,04 0,35 20,9 нителями) " Железобетон 2200 1,08 1,56 47,5 Кирпич 1700 0,83 0,75 27,4 Древесина 800 1,65 0,21 25 Сталь 7800 0,47 58 73,4 Песок сухой 1500 0,83 0,58 25 Земля сухая 1000— 0,83 0,17- 16,6—50,4 2000 0,58 Г алька 2640 0,86 1,7—4 45,6 Жидкий натрий 960 1,26 67,5 24,2 Эвтектическая смесь 1733 1,55 0,57 53,6 (46% NaN03 + 54 % КМОз) Вода (давление 1 МПа) 920 4,32 0,69 79,5

Аккумулирование теплоты может осуществляться также в грунте, в частности, этот способ аккумулирова­ния применяется в теплицах.

В качестве материала для изготовления бака-аккуму­лятора обычно используют сталь или бетон. Бункер для слоя гальки может быть изготовлен из этих же материа­лов. Однако он также может быть изготовлен из толстой фанеры (12 мм) или досок, а каркас при этом делают из стального уголка. Изнутри обшивка должна иметь по­крытие из полимерной пленки для обеспечения герметич­ности. В случае горизонтального расположения галечного

Таблица 14. Свойства теплоаккумулирующих веществ фазового перехода Вещество гпл* р, г/см* X. Вт/(м-К) С, кДж/ (кг-К) Энта чьпия фазового перехода кДж/кг МДж/м» 1 2 3 | 4 5 | 6 7 | 8 9 10 258.1 345.2 403.2

29,2	1,62	1.5	0.6	0.3	1.47	1.47	172,5,
32,4	1,46	1.41	0.6	0,3	1.76	3,31	251
35,2		1.42	0.5	1,55	3.18	279

Неорганические вещества

СаС1,-бН,0 Na. SO.-19H, О Na, HPO( • 12Н. О

44		0.91	0,4	0,2			175,3
54,1		0,87		—.	1,6	2.26	187.8
65		0,88	_	_	1.8	2,73	184.5
70,1		0,95	—	0,2	1,67	2,3	200,3

Органические кислоты

Лауриновая Мирнстявовая Пальмитиновая Стеариновая

159,5 162,8 162,9 191

22	0.9	0,77	0.3	0,2	2,91		187,8
28	_	0,79	_	0.1	2.1	2,17	244.2
36,7	о,»;	■0.78	—	0.2	2,01	2,21	247

Парафины

Парафин Октадекан н-Эйкозэн

Примечание, Свойства твердой фазы даны в графах 3, 5 н 7, а жид­кой — в гдафах 4, 6 и 8.

аккумулятора сверху на слой гальки необходимо поло­жить полимерную пленку, а на нее насыпать слой песка толщиной около 5 см. Это делается для того, чтобы предотвратить движение воздуха над слоем гальки. Кро­ме того, при большой длине аккумулятора необходимо установить вертикальную перегородку, которая обеспе­чит хорошее омывание частиц гальки потоком воздуха.

Стоимость теплоаккумулирующих материалов изменя­ется от 0,01 для гальки и 0,02. для бетона до 0,57 руб/кг для жидкого натрия. Стоимость воды принимается рав­ной 0.