Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

Солнечная и другая альтернативная энергия

Портал о солнечной и другой современной альтернативной энергии. Солнечные батареи, ветровые генераторы, батарейки, аккумуляторы, современные элементы питания и современные способы зарядки. More »

 

ВАКУУМИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

Возможным ПОДХОДОМ К Проблеме снижения ТЄПЛО’ вых потерь при высоких температурах (80—150 °С) яв ляется применение вакуумированного коллектора. Ис-J пользование в условиях Далласа (штат Техас) коллек тора с умеренным вакуумом (133 Па) в сочетании < обычными селективными поглощающими поверхностями! продемонстрировало возможность работы при темпера-j туре 150 °С с дневным КПД выше 40% [66, 67]. Был(] установлено, что расстояние между поглощающей по верхностью и стеклянным покрытием решающим обра зом влияет на подавление потерь путем естественной конвекции и теплопроводности. Практическое испольЯ зование этой системы связано с различными трудности’ ми, которые, однако, носят не принципиальный харак; тер. Первоначальные испытания выявили дефекты yd лотнений, однако была разработана технология приме­нения высокотемпературных кремнийорганических гер’ метиков. Акриловые покрытия, которые использовались| в первых опытах, были заменены закаленным или хими; чески упрочненными стеклянными покрытиями. На ОСНСІ ве этой системы в 1975 г. был создан опытно-промыш-| ленный образец [68].

Несколько торговых групп разработали вакуумиро — ванные трубчатые коллекторы [24, 69, 70]. На рис. 3.15 показан модуль коллектора фирмы «Оуэнс-Иллинойся впервые продемонстрированный в 1975 г. Каждый мо-

дуль состоит из 24 труб диаметром 50 мм и длиной ™тт7тО!™,,В1куумир0Данны!1 тРУбчатый

1,12 м. В 1975 г. было установлено несколько крупный 4 ‘ р Фирмы * уэнс-Иллинойс».

Подпись:Подпись:промышленных систем, включая систему площадьЯ ТИч

46,5 м2 в Лос-Анджелесе и систему площадью 93 м2 н«| ется пРипаян к наружной трубе. Теплоноситель пода- административном здании в Детройте. Поперечное сеЯ 3аН() еРез подводящую внутреннюю трубу. Было пока — ние трубы изображено на рис. 3.16, где для сравненЯ расп’ол™ недоРогая Диффузно отражающая поверхность показана также труба коллектора фирмы «ФилипЯ энепги 0жен’ная сзаДи Труб, почти удваивает количество Давление в трубе коллектора «Оуэнс-Иллинойс» сост» липе» И’ падаю1цея на трубу [69]. В коллекторе «Фи — ляет менее 10-2 Па, а пропускательная способность Я тт, л тяРеДУсмотрена система

ется внутреннее прозрачное селективное покрытие, а на! нижней половине — зеркально отражающая поверхность^ Прозрачное селективное покрытие из окиси индия 1п203 имеет пропускательную способность т=0,85 и! отражательную способность р»0,9 по отношению к ин-1 фракрасному излучению, соответствующему температу-1 рам поглощающих труб от 300 до 400 К. Компания! «Филипс» обращала особое внимание на то, чтобы эта

ВАКУУМИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

Рис. 3.16. Поперечное сечениЯ вакуумированных трубчатым коллекторов фирм «Филипс» (а) и «Оуэнс-Иллинойс» (б)М

1 — наружная труба; 2 — вакууме 3 — отражатель; 4 — поглощающие! трубы; 5 — подводящая труба. Я

система могла обеспечить хорошие характеристики при! диффузной радиации в условиях Северной. Европы. Цея лесообразность вакуумирования коллектора этого типа! до давления ниже 10-2 Па была рассмотрена в работе! выполненной в Австралии [71], согласно которой уме! ренный вакуум порядка 0,6-10-2 Па не приводит к улуч! шению характеристик коллектора. I

Важная особенность, свойственная всем трубчатым! коллекторам, состоит в том, что потери при отражении прямого излучения будут значительно меньше, чем в| коллекторах с плоской остекленной поверхностью. Эта позволяет увеличить использование прямой радиации pal но утром и в конце дня.

КОЛЛЕКТОР С НЕПОДВИЖНЫМ ОТРАЖАТЕЛЕМ И СЛЕДЯЩИМ. ПРИЕМНИКОМ (SRTA)

Коллектор, который показан на рис. 3.14, представ­ляет собой сферический отражатель, расположенный неподвижно и обращенный к солнцу. Он имеет линей­ный приемник, который может следить за положением солнца благодаря простому вращательному движению вокруг центра кривизны отражателя [64, 65]. Опыт ра­боты головных образов показал, что применение подоб­ных установок мощностью от 10 до 100 МВт в промыш­ленном масштабе позволило бы вырабатывать более де­

Подпись:Рис. 3.14. Солнечный коллектор
с неподвижным отражателем и
следящим приемником.

шевую электроэнергию, чем на АЭС. К достоинствам применения SRTA в быту относится то, что такая систе­ма может быть использована как для получения элек­троэнергии, так и для горячего водоснабжения. Кроме того, рабочая жидкость может быть нагрета до высокой температуры, что позволяет уменьшить объем аккуму­лирующей системы. Наконец, отсутствует опасность раз — 4-1240 49

г

 

 

Подпись:рушения больших застекленных поверхностей. Основным недостатком установки является то, что она может ио пользовать только прямую радиацию. В странах с вы­сокой долей прямой радиации SRTA может широко при­меняться для энергообеспеченности различных мелких; потребителей.

НЕКОТОРЫЕ ОТРАЖАЮЩИЕ И КОНЦЕНТРИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ. БЕЗ СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ

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.)

Подпись: Рис. 3.12. Солнечный коллектор с отражателем, изогнутым по спирали. / — отражающая поверхность; 2 —труба коллектора.

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

Подпись: 4 2 6 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.

ПЛОСКИЕ КОЛЛЕКТОРЫ

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.

Подпись: Рис. 3.9. Солнечный коллектор с тепловой ловушкой. / — остекление; 2 — воздушный зазор; 3 — метилметакрилат; 4 — пластина коллектора; 5 — изоляция. Подпись: 'материалов, размещенных между прозрачным покрытием и поглощающей пластиной, является эффективным способом улучшения характеристик коллектора благодаря подавлению естественной конвекции и сильному уменьшению потерь излучением в инфракрасной части спектра. Ячеистый материал должен иметь низкую теплопроводность, чтобы уменьшить кондуктивные потери тепла от поглощающей пластины к наружному покрытию. Теоретические исследования [47] показали, что тонкий слой прозрачного пластмассового ячеистого материала может повысить КПД коллектора по меньшей мере до 60% при средней температуре коллектора 365 К по сравнению с измеренным значением 43% у обычного коллектора с двойным остеклением и неселективной поверхностью. Полагают, что это может быть дос-
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

Подпись: казаны на рис. 3.10. Поглощающая пластина состоит из тонких стальных листов, соединенных роликовым свар] ным швом по периметру и точечной сваркой в центре,

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

ПЛОСКИЕ КОЛЛЕКТОРЫРис. 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

Подпись: Рис. 3.11. Концентрирующий параболический коллектор. 1 — изоляция; 2 — стеклянное по-крытие; 3 — парабола; 4 — фокус параболы; 5 — труба коллектора. Подпись: “Ращения

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.

КОЛЛЕКТОРЫ ДЛЯ НЕБОЛЬШОГО ПОВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

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

КОЛЛЕКТОРЫ ДЛЯ НЕБОЛЬШОГО ПОВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Рис. 3.8. Экспериментальный солнечный коллектор с пластмассовой прозрачной изоляцией.

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

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ КОЛЛЕКТОРА

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.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЛЕКТОРОВ

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,

г

 

 

Подпись: Рис. 3.7. Секция теплообменника.

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. ]

ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ

Существует несколько различных способов изготов­ления селективных поверхностей, в основе которых ле — ат те или иные физические законы. Тейбор [27] осу-

3* 35

ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ

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-

Таблида 3.1

Потери через прозрачную изоляцию

Степень черноты

Потери, Вт/м»

Температура

пластины

в длинноволновом

диапазоне

одно покрытие

два покрытия

три покрытия

40°

0,95

189

78

63

0,1

93

57

45

О

О

00

0,95

525

280

182

0,1

263

168

119

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.

Таблица 3.2

Характеристики селективных покрытий

Покрытие

Поглощатель­ная способ­ность а

Степень черноты в

Отношение поглощатель­ной способ­ности к степени черноты в/*

Черный никель на оцинко­

0,89

0,12

7,42

ванном железе (экспери­мент) [27]

То же [27]

0,89

0,16—0,18

5,56—4,94

Гидроокись натрия, хлорно­

0,87

0,13

6,69

ватокислый натрий на ме­ди [30]

Черный хром на матовом

0,923

0,085

10,86

никеле [31]*

Черный хром на полирован­

0,868

0,088

9,86

ном никеле [31]* Черный никель [31]*

0.867—0,877

0,066—0,109

7,95—13,29

1

Черная краска Nextel [31]*

0,967

0,967

* Данные по поглощательной способности относятся к спектральному распреде­лению при массе атмосферы, равной 2, а по степени черноты—к температуре абсолют­но черного тела 121 °С.

— СЕЛЕКТИВНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

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

гласно оценкам [26] суммарная годовая полезная энер­гия в условиях Великобритании может быть увеличена на 20%.

Второе покрытие оказывает почти такое же влияние на потери через прозрачную изоляцию, как и хорошая селективная поверхность в том же интервале темпера*

I тур, однако второе покрытие одновременно уменьшает I количество солнечной радиации, достигающей поверх­ности поглощающей пластины. Поэтому при сравнитель­но небольших разностях температур поглощающей плас­тины и окружающей среды коллектор с одинарным остеклением обычно является более эффективным. При­менение селективной поверхности с двумя покрытиями і Дает относительно небольшой выигрыш по сравнению с I вариантом селективной поверхности и одного покрытия.

КОНСТРУКТИВНО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. КОЛЛЕКТОРА

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-

КОНСТРУКТИВНО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. КОЛЛЕКТОРА

Подпись: Рис. 3.3. Зависимость пропуска- тельной способности от угла падения излучения. / — одинарное остекление; 2 — стекловолокнистая пластмасса; 3— двойное остекление.

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].