Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Основным конструктивным элементом солнечной ус­тановки является коллектор, в котором происходит улав­ливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теп­лоносителя. Различают два типа солнечных коллекто­ров — плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих — с концентрацией, т. е. с увеличением плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпера­турных гелиоустановках является плоский коллектор сол­нечной энергии (КСЭ). Его работа основана на принци­па

пе «горячего ящика», который легко представить себе, если вспомнить, как нагревается на солнце салон закры­того автомобиля, который служит своеобразной ловуш­кой для солнечных лучей, поступающих в него через про­зрачные поверхности остекления. Для того чтобы из­готовить плоский КСЭ, необходима прежде всего луче- поглощающая поверхность, имеющая надежный контакт с рядом труб или каналов для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя обра­зует единый конструктивный элемент — абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверх­ность абсорбера должна быть окрашена в черный цвет или должна иметь специальное поглощающее покрытие. Снижение тепловых потерь от абсорбера в окружающее пространство достигается путем применения тепловой изоляции, закрывающей нижнюю поверхность абсорбера, а также светопрозрачной изоляции, размещаемой над аб­сорбером на определенном расстоянии от него. Все на­званные элементы помещаются в корпус, и производится уплотнение прозрачной изоляции — остекления (рис. 8).

Рис. 8. Конструктивные эле-
менты плоского коллектора
солнечной энергии:

/ — остекление; і — яучепогяоща-

tom а я поверхность с трубками для ¥ нагреваемой жидкости; 3 — корпус; 4 — теплоизоляция

Таким образом получается плоский коллектор для нагре­ва жидкости, общий вид которого показан на рис. 9. Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель в плоском коллекторе, не превышает 100 °С и зависит как от климатических данных, так и от харак­теристик коллектора и условий его эксплуатации. Не­смотря на простоту конструкции создание хорошего кол­лектора требует большого искусства. К числу принципи­альных преимуществ плоского КСЭ по сравнению с коллекторами других типов относится его способность
улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и как следствие этого — возможность его стационарной установки без необходимости слежения за Солнцем.

Абсорбер плоского коллектора солнечной энергии, как правило, изготовляется из металла с высокой теплопро­водностью, а именно из стали, алюминия и даже из ме­ди. Для низких рабочих температур его можно также изготовить из пластмассы или резины. Прозрачная изо-

Рис. 9. Общий вид плоского коллектора солнечной энергии:

/ — корпус; 2 — теплоизоляция; 3 — лученогловдающая поверхность; 4 — двухслойное остекление; 5 — патрубок для подвода теплоноси­теля {патрубок для отвода нагре­того теплоносителя не показан)

ляция представляет собой один или два слоя стекла или полимерной пленки. Может использоваться комбинация из наружного слоя стекла и внутреннего слоя полимер­ной пленки. В случае низкой температуры нагрева теп­лоносителя (до 30 °С) коллектор может вовсе не иметь прозрачной изоляции. Корпус коллектора может быть изготовлен из оцинкованного железа, алюминия, дерева, пластмассы. В качестве тепловой изоляции могут приме­няться различные материалы: минеральная вата, пено­полиуретан и т. п.

Существуют разнообразные конструкции плоских КСЭ.

Наиболее широко применяемые конструкции абсорбе­ров плоских солнечных коллекторов показаны нарис. 10.

В качестве поглотителя солнечного излучения в коллек­торе типа труба в листе (рис. 10, а) для жидкого теп­лоносителя используется ряд параллельных труб диа­метром 12—15 мм, припаянных или приваренных сверху, снизу или в одной плоскости к металлическому листу и расположенных-на расстоянии 50—150 мм друг от дру-

Рис. 10. Схемы абсорберов плос­ких жидкостных коллекторов:

а —труба в листе; б — соединение гофрированного н плоского листов; в — штампованный абсорбер; г — лист с приваренными прямоугольными ка­налами

га. Верхние и нижние’ концы этих tpy6 присоединяются путем пайки или сварки к гидравлическим коллекторам.

В коллекторах для нагрева воздуха (рис. 11) среда движется в пространстве, образованном прозрачной изо­ляцией и лучевоспринимающей поверхностью из метал-

Рис. 11. Схемы плоских воздушных солнечных коллекторов с движе-
нием воздуха под плоским (а), оребренным (б) и гофрированным
(в) абсорбером, через ряд стеклянных пластин (г) и пористую на-
садку (д):

1 — остекление; 2 — абсорбер; 3 — теплоизоляция; 4 — поток воздуха

лического листа плоского (рис. 11, а), с ребрами (рис.
11,6) или гофрированного (рис. 11,в), из стеклянных
пластин, наполовину зачерненных и наполовину про-
зрачных (рис. 11,г), и из пористой насадки (рис. 11,6).

В плоском КСЭ площадь «окна», через которое сол­нечная энергия попадает внутрь коллектора, равна пло­щади лучепоглощающей поверхности, и поэтому плотг

ность потока солнечной радиации не увеличивается. При использовании концентраторов, т. е. оптических устройств типа зеркал или линз, достигается повышение плотности потока солнечной энергии. Это имеет место в фокусиру­ющих коллекторах солнечной энергии, требующих специ­ального механизма для слежения за Солнцем. Зерка­ла — плоские, параболоидные или параболо-цилиндри­ческие — изготовляют из тонкого металлического листа или фольги или других материалов с высокой отража­тельной способностью; линзы — из стекла или пластмасс. Фокусирующие коллекторы обычно применяются там, где

Рис. 12, Концентраторы солнечной энергии: а — г — параболо-цилиндрический концентратор с трубчатым приемником излуче­ния; б —фоклин; « — параболоидный концентратор; г —линза Френеля; й — поле гелиостатов с центральным приемником излучения; / — отражатель; 2 — приемник излучения

требуются высокие температуры (солнечные электро­станции, печи, кухни и т. п.). В системах теплоснабжения зданий они, как правило, не используются. Некоторые типы концентраторов, используемых в фокусирующих коллекторах, показаны на рис. 12. Плоские КСЭ также могут быть снабжены дешевыми плоскими отражате­лями.

Кроме описанных двух основных типов КСЭ — плос­ких и фокусирующих коллекторов — разработаны и ис­пользуются стеклянные трубчатые вакуумированные коллекторы, солнечные пруды, представляющие собой комбинацию КСЭ и аккумулятора теплоты, и т. п.

Сравнительная характеристика коллекторов различ­ных типов дана в табл. 2.

Таблица 2. Характеристика основных типов солнечных коллекторов Тип солнечного коллектора Рабочая температу­ра. °С КПД коллек­тора. % Относи­ тельная требуемая площадь. % , Слежение за Солнцем Плоский КСЭ 30-100 30-50 100 Не требуется Солнечный пруд 40—100 15-25 130 Не требуется Центральный при­емник с полем ге­лиостатов до 1000 60-75 20—40 Вращение во­круг двух осей Параболо-цилин­дрический концен­тратор до 500 50-70 30—50 Вращение во­круг одной оси Вакуумированный стеклянный труб­чатый коллектор 90—300 40-60 50—75 Не требуется 5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

Показателем эффективности КСЭ является его ко­эффициент полезного действия, равный отношению теи- лопроизводительиости коллектора к количеству солнеч­ной энергии, поступающему на коллектор:

Як — ЯЖВшА),

где Qk — тенлопронзводнтельность коллектора, Вт-ч; Ек — количество солнечней энергии, поступающей на 1 м2 площади поверхности КСЭ, Вт-ч/м2; А — площадь поверхности абсорбера КСЭ, м2.

Величину QK можно определить по расходу теплоно­сителя т, кг/с, его удельной теплоемкости Ср, Вт*ч/ /(кг-°С), и разности температур теплоносителя на вы­ходе Т2 и входе Т КСЭ, т. е. Qt:=tnCp(T2—rt).

Коэффициент полезного действия коллектора солнеч­ной энергии определяется его эффективным оптическим

Зб

КПД tjo и эффективным коэффициентом теплопотерь Кк — Т1« “ Т1о Як (Пі ТвУІщ

где /к — интенсивность потока солнечной энергии, посту­пающего на поверхность КСЭ, Вт/м2; Кк — эффектив­ный коэффициент теплопотерь КСЭ, Вт/(м2-°С); Тв — температура наружного воздуха, °С.

Приведенная выше формула дает мгновенное значе­ние КПД КСЭ, которое может быть принято средним для данного часа суток. Но поскольку интенсивность пото­ка солнечной энергии /к в течение дня изменяется от ну­ля перед восходом и после захода Солнца до максимума в солнечный полдень, также сильно изменяется и КПД КСЭ.

Отсюда следует, что среднедневное значение КПД будет значительно ниже, чем его максимальное значение в полдень.

Возникает вопрос — от чего зависит величина КПД коллектора солнечной энергии? Наиболее сильное влия­ние на КПД плоского КСЭ оказывают: 1) метеорологи­ческие параметры — интенсивность солнечной энергии /, измеряемая на горизонтальной поверхности, и темпе­ратура наружного воздуха Тл; 2) конструктивные ха­рактеристики КСЭ и свойства лучепоглощающей поверх­ности абсорбера — материал и толщина листа, толщина и коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, шаг труб, число слоев остекления и его пропускательная способность; 3) рабочие параметрі* КСЭ — расход теп­лоносителя и его температура на входе в КСЭ.

При сравнении различных материалов, используемых для изготовления абсорбера, — меди, алюминия, стали, пластмассы — установлено, что с увеличением произве­дения толщины листа б на его коэффициент теплопровод­ности А, значение КПД коллектора возрастает. Так, при толщине лучепоглощающего листа в 1 мм из меди, алю­миния, стали или пластмассы [А,=390; 205; 45 и 0,6 Вт/(м-°С) соответственно] КПД КСЭ составляет 52; 50; 48 и 22 %.

В табл. 3 приведены значения коэффициента эффективности оребрения металлического листа лучевоспринимающей поверхности плоского КСЭ в зависимости от материала ребра, его толщины и ша­га трубок для теплоносителя (обычно в пределах 50—150 мм).

Теплотехническое качество лучевоспринимающей поверхности коллектора возрастает при использовании более теплопроводного материала, при увеличении его толщины (хотя влияние здесь иеве-

Таблица 3. Коэффициент эффективности оребрения F’ абсорбера плоского жидкостного коллектора (толщина листа I мм, диаметр труб 25 мм) Материал листа X, Вт/(м — °С) Шаг труб, мм 50 100 150 Медь 390 0,989 0,972 0,948 Алюминий 205 0,988 0,967 0,934 Сталь 45 0,984 0,925 0,819 лико) и уменьшении шага трубок. Уменьшение диаметра трубок с 25 до 12 мм влечет за собой снижение коэффициента эффективности на 0,03—0,05, но при этом уменьшается общая теплоемкость коллектора и его тепловая инерция, а следовательно, быстрее происходит его прогрев. Зазор между лучевоспринимающей поверхностью и остек­лением и между внутренним и наружным слоями двухрядного остек­ления обычно выбирают в пределах 15—25 мм. Толщина тепловой изоляции нижней поверхности абсорбера принимается равной 50— 75 мм, а боковых поверхностей — 25 мм.

При возрастании интенсивности инсоляции с 300 до 1000 Вт/м2 КПД коллектора увеличивается с 32 до 59 %, а при увеличении температуры наружного воздуха’с 10 до 30 °С КПД возрастает с 41 до 55 %.

Очевидно, что в холодный период года КПД обычного плоского КСЭ весьма низок.

Большое влияние на КПД КСЭ оказывает темпера­тура теплоносителя на входе в колектор: чем она ниже, тем ниже тепловые потери КСЭ и выше его КПД. При увеличении расхода теплоносителя КПД КСЭ возраста­ет до определенного предела, а затем остается постоян­ным, так что существует оптимальный диапазон значений расхода теплоносителя. КПД КСЭ сильно увеличи­вается при применении абсорбера с селективным покры­тием, характеризуемым большим отношением поглоща­тельной ас и излучательной ет способностей. При одно­слойном остеклении изменение степени селективности абсорбера ас/ет с 1 до 12 приводит к увеличению КПД КСЭ с 45 до 60%.

При испытании коллекторов получают зависимость КПД коллектора т)к от отношения у разности температур теплоносителя на входе в КСЭ и наружного воздуха ДТ к плотности потока солнечной энергии /к на поверхность КСЭ. Типичные характеристики плоских и вакуумиро — ванного коллекторов и области их применения показаны на рис. 13. Как видим, характеристика КСЭ изображает­ся прямой линией. Точка ее пересечения с вертикальной осью соответствует эффективному оптическому КПД 1|э при угле падения солнечных лучей 0°, а тангенс угла на­клона прямой к горизонтальной оси — эффективному коэффициенту теплопотерь КСЭ Кк■

Рис. 13. Характеристика коллекторов солнечной энергии:

1 — коллектор без остекления; 2 — коллектор с однослойным остеклением; 5 —
коллектор с двухслойным остеклением; 4 — селективный плоский коллектор с
однослойным остеклением; 5 — стеклянный трубчатой вакуумированный кол-
лектор

Характеристика солнечного коллектора описывается следующей формулой: т)к=,По—КкУ■ При этом оптиче­ский КПД т)0 и коэффициент теплопотерь Кк для кол­лекторов, характеристики которых представлены на рис. 13, равны:

Чо

Вт/(м* • °С) 15 7 5 3,5 2

Неселективный плоский коллектор без остекления 0,95 То же с однослойным остеклением, , , , , о,85 То же с двухслойным остеклением, , . , . 0,75 Селективный плоский коллектор с однослойным

остеклением……………………………………………………. і 0,’8

Вакуум’ированный стеклянный трубчатый коллек­тор, * я, і S, 4 sі Ї I I t I I J 0,75

Оптический КПД определяется произведением коэф­фициента пропускания солнечного излучения прозрачной изоляцией х (для 1—3-слойного остекления T=0,6-w-0,95). и коэффициента его поглощения абсорбером а (а= — 0,85-:-0,98) и не зависит от /к и разности температур ДТ коллектора Тк и наружного воздуха Тв. Тепловые по­тери снижают полезную энергию коллектора и возраста­ет с увеличением разности температур A7Y Диапазон типичных значений коэффициента теплопотерь Кк— = 1,2-*-10 Вт/(м2-°С).

. Из рис. 13 видно, что при «/=Д7’//К<0,013 м2-°С/Вт плоский коллектор без остекления имеет наибЬльший КПД, в Диапазоне значений у до 0,045 м2 -°С/Вт коллек­тор с однослойным остеклением более эффективен, чем коллектор с двумя слоями стекла, при у>0,025 м2-°С/Вт самым эффективным является вакуумированный коллек­тор. Для плавательных бассейнов, работающих летом при высоких значениях температуры воздуха Тв и интенсив­ности сюлнечного излучешш в плоскости коллектора /к’, у мело из-за Малой разности температур ДГ, и наиболее целесообразно использовать дешевые плоские коллекто — рьі без остекления (в-частности, пластмассовые) . Об­ласть (у<0,03 м2-°С/Вт) соответствует применению

солнечных коллекторов для обогрева плавательных бас­сейнов, J5 (у=0,03-г-0,08 м2-°С/Вт) — для горячего во­доснабжения и В (р>0,08 м2-°С/Вт) — для отопления.

Для горячего водоснабжения требуетсд разность тем­ператур Д7’=20-=-50°С, и чтобы при средней и невысо­кой интенсивности солнечного излучения, скажем, 300— 500 Вт/м2, давать полезную энергию, требуются неселек­тивные коллекторы с одним-двумя’ слоями остекления или селективный коллектор С ОДНОСЛОЙНЫМ остеклением. Применение двух слоев остекленйН сиижает тепловые потери, но одновременно, увеличивает оптические поте­ри. Для отопления зданий требуется большая разность

температур АТ, которую могут обеспечить только высо­коэффективные коллекторы, например вакуумирован — ные или плоские с селективным абсорбером.

Объем промышленного производства солнечного обо­рудования в СССР явно не отвечает современным тре­бованиям. В частности, солнечные коллекторы выпуска­ются на Братском заводе отопительного оборудования. Там производится плоский коллектор для нагрева жид­кости, представляющий собой плоскую лучепоглощаю — щук» стальную панель с каналами для воды, помещенную в корпус с однослойным остеклением и тепловой изо­ляцией тыльной стороны абсорбера (рис. 14,а). Габа­риты выпускаемого модуля КСЭ 1530 x 630×98 мм, пло­щадь лучепоглощающей поверхности абсорбера 0,6 м2. масса 50,5 кг (в стальном корпусе), стоимость 37 руб. Другими организациями — ПО «Спецгелиотепломон — таж» в г. Тбилиси, опытными производствами институ­тов КиевЗНИИЭП и ФТИ АН УзССР в г. Ташкенте:— в небольших количествах выпускаются КСЭ аналогич­ного типа (рис. 14, б и в) с использованием стальных па-, нельных радиаторов типов РГС — или ЗС, имеющих площадь лучепоглощающей поверхности 0,62—0,72 м2, массу от 32 до 36 кг (в алюминиевом корпусе) и стои­мость 46—50 руб. за модуль. Абсорбер покрыт черной краской марок ПФ, НЦ, КО, ХВ или ВТ с добавлением сЯжи. Коллектор имеет одно — или двухслойное остекле­ние и тепловую изоляцию. Коэффициент теплопотерь при однослойном остеклении — около 10 Вт/(м2’°С). Объем производства КСЭ на Братском заводе 100 тыс. м2 КСЭ в /од. Планируется довести производство до 1 млн. м2.в год и улучшить оптико-теплотехнические ха­рактеристики КСЭ, снизив коэффициент теплопотерь до 2,3 Вт/(м2-°С).

За рубежом во многих странах организовано массовое промыш­ленное производство коллекторов солнечной энергии. Первое место в мире по количеству установленных КСЭ- занимают США, где об­щая площадь коллекторов составляет (по данным 1988 г.) 10млн. м*, второе место — Япония (8 млн. м2 КСЭ), далее следуют: Израиль — 1,75 млн. м2, Австралия — 1,2 млн. м*. На одного жителя приходится в Израиле 0,45, в Австралии—0,08, в США, Греции и Швейцарии — 0,06 м* площади КСЭ.

Повышение тепловой эффективности солнечных кол­лекторов может быть достигнуто путем применения: кон­центраторов солнечного излучения; селективно-поглоща-

А -*1

ющего покрытия абсорбера; вакуумирования пространст­ва внутри коллектора; нескольких слоев прозрачной изо­ляции; сотовой ячеистой структуры в пространстве между абсорбером и остеклением и антиотражательных покры­тий на остеклении.

В результате применения указанных методов снижа­ются тепловые потери коллектора и повышается его КПД.

Селективные поверхности для КСЭ. Наиболее эффек­тивный способ повышения КПД плоских коллекторов солнечной энергии связан с применением селективно — погловдающих покрытий. Второй способ состоит в изме­нении оптических свойств прозрачной изоляции с целью увеличения ее отражательной способности рт по отно­шению к тепловому излучению абсорбера и пропуска — тельной способности тс для солнечного излучения.

Селективные покрытия для лучепоглощающей по­верхности солнечного коллектора должны обладать вы­соким коэффициентом поглощения etc коротковолнового солнечного излучения (короче 2 мкм), низкой излуча­тельной способностью ет в инфракрасной области (длин­нее 2 мкм), стабильной величиной степени селективнос­ти ссс/єт, способностью выдерживать кратковременный перегрев. поверхности, хорошей коррозионной стойкос­тью, быть совместимыми с материалом основы и иметь низкую стоимость. Для идеальной селективно-поглоща — щающей поверхности ас=1 и ет=0, а для идеальной прозрачной изоляции тс= 1 и рт=1.

Увеличение осс влияет на эффективность КСЭ в боль­шей степени, чем аналогичное умейьшение ет. Однако получить высокое значение ас нелегко. Для черной крас­ки осс не превышает 0,95, такое же значение имеет и ет. Селективные покрытия, как правило, представляют со­бой тонкопленочные фильтры, и при увеличении etc за счет утолщения пленок одновременно возрастает ет. Са­мый распространенный тип селективных покрытий — это тонкие пленки на металлической основе, поглощаю­щие видимый свет и пропускающие инфракрасное излу­чение (ИК). Сюда, в частности, относятся покрытия из черного никеля и черного хрома, наносимые электро­химическим способом на подложку из никеля, цинка, олова или меди. Применяются и другие способы нанесе­ния покрытий этого типа. Селективные краски получают из прозрачных в ИК-области полупроводников в виде мелкого порошка с большой порозностью для снижения эффективного коэффициента отражения поверхности.

Покрытие черным хромом наиболее перспективно для получения требуемых оптических свойств и высокой термической стабильности при температурах до 400 °С (в вакууме). Но плотность электрического тока при на­несении черного хрома почти в 100 раз выше, чем для черного никеля, отсюда и высокая стоимость селектив —

в зависимости от длины волны Я излучения

Наилучшие результаты получены с черным хромом на алюминиевой фольге (ас=0,964 и ет=0,023) и с черным никелем на блестящей никелевой подложке (ас—0,96 и Єт=0,11).

Рис. 15. Зависимость коэффи­циента отражения от длины волны для селективной погло­щающей поверхности из черно­го хрома

В настоящее, время достигнуты значения степени се — лективности. т. е. ас/e*—*10-г20. При степени селектив­ности 20—40 равновесная температура лучепоглощаю — щей поверхности коллектора (без ее охлаждения тепло­носителем) достигает 350—600 °С. На остекление может быть нанесейб антиотражательное покрытие из диоксида индия. На полированную поверхность металлического листа, обладающую высокой отражательной способнос­тью й, следовательно, низким значением ет, можно нане­сти слой сажи,, при .этом коэффициент поглощения ас солнечного излучения возрастет до 0,96.

Способы получения селективных поглощающих покрытий. Наи­более простой способ получения селективной поверхности — это хи­мическое окисление меди, используемой в качестве подложки на других металлах, при этом получается поглощающий слой окиси меди! Рассмотрим способы нанесения покрытий из черного никеля в черного хрома на сталь с подложкой из блестящего никеля, кото­рый можно нанести в электролитической ванне,, содержащей 180 г/л №S0t-6H20, 40 г/л борной кислоты и 40 г/л NiCla при температуре — 50°С, рН=4 и силе тока 3,5—4,5 А/дма. Черный никель наносят вванне, содержащей 65 г/л NiS04*6Hj0, 20г/л. ZnSOi^HjO, 30г/л (NH4)2S04 и 11 г/л NHtCNS при температуре 25—30°С и плотности тока 0,05—2 А/дм2. Покрытие из черного хрома представляет собой пленку, состоящую из мельчайших частиц металлического хрома в изолирующей решетке СггОз — Дри обычном способе нанесения это­го покрытия требуется высокая плотность электрического тока (75—150 А/дм2) при температуре 10—15 °С, т. е. с охлаждением.

Разрабатывается способ нанесення, осуществляемый при 20—60 "С и плртностн тока 7,5 А/дмг. Состав ванны для нанесения черного хрома на мягкую сталь: Сг20з — 300 г/л,_ВаСОз — в количестве, до­статочном для удаления всех ионов NO4, сахароза — 3 г/я, фторси — ликат — 0,5 г/л; температура 12—15 °С, плотность тока 32—36 А/дм*.

Способы нанесения пок-рытий постоянно совершенствуются.

Для плоских солнечных коллекторов лучше всего подходят се­лективные черные поглощающие краски.

Солнечные коллекторы с тепловыми трубами. В по­следние годы разработаны конструкции КСЭ с исполь­зованием тепловых труб. Как известно, тепловая труба представляет собой вакуумироваиное герметичное уст­ройство в виде трубы или плоского канала с продольны­ми канавками или капиллярно-пористым телом—фитилем на внутренней поверхности канала, частично запол­ненного рабочей жидкостью. При подводе тепдоты жид­кость в одной части тепловой трубы — в испарительной зоне—испаряется и образующиеся пары переносятся в зону отвода теплоты (в зону конденсации), где они кон­денсируются, и по капиллярной структуре жидкость воз­вращается в зону испарения. г

Возможен широкий выбор рабочих жидкостей, в ча­стности могут использоваться дистиллированная вода,

трубой:

ацетон и хладагенты при низких температурах. В тепло­вой трубе без фитиля, называемой термосифоном, воз­врат конденсата в- зону испарения происходит под дей­ствием силы тяжести, поэтому тепловая труба этого ти­па может работать лишь при условии расположения зоны конденсации выше зоны испарения. Для К. СЭ с теп­ловой трубой характерны: высокая плотность потока пе­редаваемой теплоты и большая компактность устройст­ва, передача теплоты в одном направлении—из зоны испарения в зону конденсации, отсутствие расхода энер­гии на перенос среды, передача теплоты при малой раз­ности температур, саморегулируемость. Поскольку в низ­котемпературных гелиотермических установках исполь­зуются в основном плоские КСЭ, в них целесообразно использовать плоские тепловые трубы — термосифоны. Выбрав должным образом заполнитель, можно полнос­тью исключить проблемы, связанные с коррозией и за­мерзанием системы. На рис. 16 показан пример конструк­тивного выполнения КСЭ с тепловой трубой. Масса КСЭ 25 кг на 1 м2 площади поверхности.

Вакуумированные стеклянные трубчатые коллекторы. Известно, что поддержание вакуума ниже 1,33 Па в про­странстве между лучепоглощающей поверхностью абсор­бера и прозрачной оболочкой наряду с одновременным применением селективных покрытий на поверхности аб­сорбера существенно повышает эффективность КСЭ бла­годаря почти полному исключению тепловых потерь пу­тем теплопроводности и конвекции, с одной стороны, а также повышению поглощательной способности и сни­жению потерь теплоты путем излучения, с другой.

Возможны различные варианты конструктивного выполнения вакуумированных стеклянных трубчатых коллекторов (ВСТК). Некоторые из них показаны на рис. 17 (в разрезе) и 18. Внутри стеклянной оболочки 1 из высококачественного боросиликатного стекла диа­метром 100—150 мм помещаются трубка для теплоноси­теля, лучепоглощающая поверхность, отражатель. Трубка может иметь U-образную форму (а и в) или представ­ляет собой тепловую трубу (б и а). Внутреннее простран­ство оболочки вакуумировано. Отражатель может быть выполнен в виде фоклина (в), может составлять часть оболочки (г) или находиться в виде полос на боковых стенках вакуумированных труб, используемых в качест­ве прозрачной изоляции (д). В конструкции, показанной

на рис. 17, д, лучепоглощающая поверхность расположе­на под вакуумированными трубами и надежно соедине­на с трубками для нагреваемой жидкости, помещенными в теплоизоляцию. Обычно модуль коллектора включает ряд (до 10) стеклянных вакуумированных труб, присое­диненных к общей трубе, по которой движется нагревав* N мая жидкость. Как правило, модуль помещается в теп­лоизолированный корпус. В конструктивном отношении слабым местом является узел соединения стеклянных и металлических деталей, имеющих различные коэффи­циенты линейного расширения при нагревании.

Итак, для повышения эффективности вакуумирован — ных коллекторов используются селективные покрытия, отражатели и т. д. На внутреннюю поверхность верхней части стеклянной оболочки наносят покрытие, например из диоксида индия, обладающее хорошей отражательной способностью для теплового (инфракрасного) излучения и не влияющее на коэффициент пропускания коротковол­нового солнечного излучения. На дучепоглощающую по­верхность абсорбера наносят селективное покрытие

Рисі 17. Поперечное сечение вакуумированных стеклянных трубча­тых коллекторов: I—стеклянная оболочка; 2 — трубка для нагреваемой жидкости; 3 —лучепо­глощающая поверхность; 4 — отражатель; 5 — теплоизоляция

с большой величиной отношения ас/єт, например из чер­ного хрома, благодаря чему снижаются оптические по­тери КСЭ и потери теплоты путем излучения и повыша­ется КПД. Нижняя поверхность стеклянной оболочки может быть выполнена зеркальной. Отражающая поверх­ность может быть размещена под стеклянной оболочкой На небольшом расстоянии от нее. Это способствует повы­шению КПД солнечного коллектора благодаря исполь­зованию рассеянного излучения.

Рис. 18. Общий вид вакуумированвого стеклянного трубчатого кол­лектора:

/ — вакуумировавнля стеклянная оболочка; 2 — труба для нагреваемой жид-
кости; 3 —соединение металла со стеклом

В качестве теплоносителя используются различные среды, в частности вода, растворы органических ве­ществ, силиконовое масло. Температура нагрева тепло­носителя достигает 90—300 °С.

Коллекторы с прозрачной сотовой ячеистой структу­рой. В обычных плоских КСЭ практически невозможно получить температуру, превышающую температуру на­ружного воздуха более чем на 100 °С, из-за высоких по­терь теплоты при повышенных температурах. Одним из эффективных методов снижения потерь теплоты в КСЭ является применение прозрачной сотовой структуры, располагаемой между остеклением и лучевоспринима — ющей поверхностью абсорбера и обеспечивающей подав­ление конвективного и частично лучистого теплообмена. По Своей конструкции структура напоминает пчелиные соты и состоит из продолговатых ячеек круглого, пря-

моугольного или шестиугольного сечения, изготовленных из стекла или пластмассы.

В КСЭ с прозрачной ячеистой структурой, предназна­ченной для подавления конвекции воздуха, можно на­греть теплоноситель до 250 °С. Материал для ячеек должен иметь небольшую толщину (0,5 мм), низкий коэф­фициент теплопроводности и низкую удельную теплоем­кость. Диаметр ячеек не должен превышать 5 мм, а от­ношение их высоты к диаметру должно быть в пределах 5—15. Кроме того, материал ячеек должен выдерживать достаточно высокие рабочие температуры.

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОТЫ

Необходимость аккумулирования теплоты в гелиоси­стемах обусловлена несоответствием во времени и по ко­личественным показателям поступления солнечной ради­ации и тецлопотребления. Поток солнечной энергии изме­няется в течение суток от нуля в ночное время до максимального значения в солнечный полдень (рис. 19, а).

Рис. 19. Годовой (а) и суточный (б) ход поступления солнечной энергии (Е) и тепловой нагрузки (Q), отопления и горячего водо­снабжения

Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре — январе, а поступление солнечной энергии в этот период минимально (рис. 19, а), для обеспечения теплопотребления (Q) необходимо улавливать солнеч­ной энергии (Е) больше, чем требуется в данный момент (Ei), а ее избыток (Е2) накапливать в аккумуляторе теплоты. Запас энергии в аккумуляторе может быть рас­считан на несколько часов или суток при краткосрочном аккумулировании и на несколько месяцев — при сезонном аккумулировании. Следует отметить, что применение се­зонных аккумуляторов пока экономически нецелесооб­разно. В целом же применение аккумулятора теплоты повышает эффективность гелиосистемы и надежность теплоснабжения.

Низкотемпературные системы аккумулирования теп­лоты охватывают диапазон температур от 30 до 100 °С и используются в системах воздушного (30 °С) и водя­ного (30—90 °С) отопления и горячего водоснабжения (45—60°С). Система аккумулирования теплоты, как правило, содержит резервуар, теплоаккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется накопле­ние и хранение тепловой энергии, теплообменные устрой­ства для подвода и отвода теплоты при зарядке и раз­рядке аккумулятора и тепловую изоляцию.

Аккумуляторы можно классифицировать по характе­ру физико-химических процессов, протекающих в тепло­аккумулирующих материалах (ТАМ):

аккумуляторы емкостного типа, в которых использу­ется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) акку­мулирующего материала без изменения его агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные ра­створы солей и др.);

аккумуляторы фазового перехода вещества, в кото­рых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;

аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фо­тохимических реакциях.

В аккумуляторах первой группы происходят последо­вательно или одновременно процессы нагревания и ох­лаждения теплоаккумулирующего материала либо непо­средственно за счет солнечной энергии, либо через теп­лообменник. Этот способ аккумулирования тепловой энергии наиболее широко распространен. Основным не­достатком аккумуляторов этого типа является их боль­шая масса и как следствие этого — потребность в боль­ших площадях и строительных объемах в расчете на 1ГДж аккумулируемой теплоты.

Сравнение различных теплоаккумулирующих матери­алов приведено в табл. 4.

Требования к теплоаккумулирующим материалам: высокая теплоемкость и энтальпия фазового перехода

Таблица 4. Сравнение некоторых теплоаккумулируюздих материалов Характеристика ТАМ Гранит, галька Вода Глауберова соль (декагидрат сульфата натрия) Парафин Плотность, кг/м* 1600 1000 1460х 1330* 786і Теплоемкость, кДж/(кг-К) 0,84 4,2 1,92і 3,26* 2,89і Коэффициент теплопро­водности, Вт/(м-К) 0,45 0,6 1,85і 1,714* 0,498і Масса ТАМ для аккуму­лирования 1 ГДж теп­лоты при ДГ=20 К. кг 59 500 11 900 3300 3750 Относительная масса ТАМ по отношению к массе воды, кг/кг 5 1 0,28 0,32 ,, Объем ТАМ для акку­мулирования 1 ГДж теплоты при ДГ»20 К, 49,6* 11,9 2,26 4,77 Относительный объем ТАМ по отношению к объему воды, м3/м* 4,2 1 0,19 0,4 Примечания: 1. Обозначения степени следующие: т — твердое — сос­тояние; ж — жидкое состояние; * — с учетом объема пустот — 26%. 2. Температура я теплота плавления: парафин — 47 °С я 209 яДж/иг; гла­уберова соль — 32 °С я 251 вДж/кг.

при достаточно высокой теплопроводности; высокая плот, ность материала и его химическая стабильность; безо­пасность и нетоксичность; низкая стоимость.

Система аккумулирования тепловой энергии характе­ризуется следующими параметрами: теплоаккумулирую­щей способностью или удельной энергоемкостью, ГДж/м3; диапазоном рабочих температур, °С; скоростью подвода и отвода теплоты при зарядке и разрядке акку- — мулятора, кДж/с.

Аккумуляторы теплоты емкостного типа (рис. 20) —: наиболее широко распространенные устройства для ак­кумулирования тепловой энергии. Теплоаккумулирующую способность или количество теплоты (кДж), которое может быть накоплено в аккумуляторе теплоты емкост­ного типа, определяют по формуле

Q = тСр(Тл — Ті),

где m — масса — теплоаккумулирующего вещества, кг;

Ср — удельная изобарная теплоемкость вещества, кДж/ /(кг*К); Т и Т2 — средние значения начальной и конеч­ной температур теплоаккумулирующего вещества, °С.

Наиболее эффективный теплоаккумулирующий мате­риал в жидкостных солнечных системах теплоснабже­ния— это вода. Для сезонного аккумулирования тепло­ты перспективно использование подземных водоемов, грунта, скальной породы и других природных образова­ний.

Рис. 20.. Аккумуляторы тенлоты емкостного типа — водяной (а) и галечный (б):

) — теплообменник; 2 — холодная воде; 3 — горячая вода; 4 — теплоизолиро­ванный бак (бункер); б —слов гальки; б—решетка; 7, б —подвод (отвод)

воздуха

В крупномасштабных системах аккумулирования теп­лоты достаточно успешно используют железобетонные и стальные резервуары вместимостью до 100 тыс. м3, в которых горячая вода, обладающая значительной теп­лоемкостью [4,19 кДж/(кг-°С)], может сохранять при температуре 80—95 °С до 8 тыс. ГД ж теплоты. Они дос­таточно просты в эксплуатации, но требуют больших ка­питаловложений. Целесообразно их использование сов­местно с тепловыми насосами, в этом случае их тепло­аккумулирующая способность может удвоиться за счет более глубокого (до 5 °С) охлаждения воды в резервуаре.

Положительный опыт в сезонном аккумулировании теплоты накоплен в Швеции, где успешно эксплуатиру-

ются крупные гелиотеплонасосные системы теплоснабже­ния целых поселков. Однако для индивидуального потребления наибольший интерес представляют аккумуля­торы теплоты для небольших солнечных установок го­рячего водоснабжения и отопления,

На рис. 21 показаны примеры конструктивного испол­нения баков аккумуляторов вместимостью 200—500 л, применяемые в водонагревательных установках с есте-

Рис. 21. Баки — аккумуляторы горячей воды: а,—бак с подводом холодной воды снизу и внутренними перегородками; б — бак с поплавковым клапаном для Подвода холодной воды; в — бак с подводом теплоты из КСЭ через теплообменник; г — секционированный бак с электро­нагревателем; /.— теплоизолированный корпус; 2 — перегородка; 3 — подвод холодной воды; 4 — отвод горячей воды; 5 — поплавковый клапан; б —опуск­ная трубр; 7 — теплообменник; 4 — электронагреватель; 9 — теплообменник

ственной и принудительной циркуляцией. Как правило, используется вертикальный стальной бак высотой в 3— 5 раз больше его диаметра для обеспечения температур­ного расслоения воды. Тепловые потери бака снижаются путем применения теплоизоляции типа стекловаты тол­щиной не менее 50 мм. Внутренняя поверхность бака, контактирующая с водопроводной водой, должна быть защищена от коррозии. Для этого бак должен быть из­готовлен из нержавеющей стали, иметь эмалевое покры­тие или анод из магния или анодную защиту с внешним источником электричества. В баке могут быть предусмот­рены горизонтальные перегородки (рис. 21 ,а и г), по­плавковый клапан для подвода холодной воды (рис. 21, б) и труба для ее поступления в нижнюю часть бака, теплообменник в двухконтурной системе для подвода теплоты от КСЭ (рис. 21, в и г), электронагреватель и теплообменник для отвода теплоты в систему отопле­ния (рис. 21, г). Перегородки разделяют бак на секции с различными уровнями температуры воды по высоте, так что в верхней части бака вода имеет более высокую температуру, чем в нижней. Это повышает эффектив­ность аккумулирования теплоты. В схемах а и б тепло­носителем в КСЭ служит вода, а в схемах в и г—анти­фриз, поэтому используется теплообменник для переда­чи теплоты от антифриза к воде.

Галечный аккумулятор теплоты (рис. 22). В солнеч­ных воздушных системах теплоснабжения обычно при­меняются галечные аккумуляторы теплоты, представляю­щие собой емкости круглого или прямоугольного сече­ния, содержащие гальку размером 20—50 мм в виде насадки из плотного слоя частиц. Аккумуляторы этого ти­па обладают рядом достоинств, но по сравнению с во­дяным аккумулятором в этом случае требуется больший объем. Галечный аккумулятор может располагаться вер­тикально или горизонтально.

Горячий воздух, поступающий днем из солнечного коллектора в аккумулятор, отдает гальке свою теплоту, и таким образом происходит зарядка аккумулятора. При разрядке аккумулятора ночью или в ненастную погоду воздух движется в обратном направлении и отводит теп­лоту к потребителю.

При одинаковой энергоемкости объем галечного ак­кумулятора теплоты в 3 раза больше объема водяного бака-аккумулятора. Так, при массе гальки 10 т, пороз — ности слоя 8=0,4 и плотности частиц 1850 кг/м3 требу­ется объем галечного аккумулятора, равный V=m/p (1— е) =9 м3. Приняв, что при разрядке аккумулятора на­чальная температура частиц гальки равна 65 °С, а их конечная температура 21 °С, что вполне реально при воз­душном отоплении с помощью вентиляционной системы, получим количество теплоты, которое можно использо­вать для отопления из аккумулятора [удельная теплоем­кость гальки с«0,88кДж/(кг-К) или 1630кДж/(м3-К)]: <2—тс{Ттч — Ткоя) = Ю4-0,88(65—21) = 387,2 МДж. При часовой тепловой нагрузке 20 МДж/ч этого запаса энергии хватит на 19,36 ч.

Аккумуляторы теплоты фазового перехода. Основное преимущество теплоты с фазовым переходом — высокая

Рис. 22. Общий вид млечного аккумулятора: / — крышка; І — бункер; а —бетонный блок; 4 — теплоизоляция; 5 —сетка; 6 — галька

удельная плотность энергии, благодаря чему существен­но уменьшаются масса и объем аккумулятора по срав­нению с емкостными аккумуляторами.

Для низкотемпературных солнечных систем тепло­снабжения в аккумуляторах фазового перехода наибо­лее пригодны органические вещества (парафин и неко­торые жирные кислоты) и кристаллогидраты неоргани­ческих солей, например гексагидрат хлористого кальция СаСІ2;6Н20 или глауберова соль NajSO*- 10Н2О, плавя­щиеся при 29 и 32°С соответственно. При использова­нии кристаллогидратов возможно разделение смеси и ее переохлаждение, вызывающие нестабильность этих не­дорогих веществ и снижающие число рабочих циклов. Для устранения этих недостатков к теплоаккумулирую­щему материалу добавляют специальные вещества, кото­рые обеспечивают равномерную кристаллизацию распла­ва и способствуют длительному использованию материа­ла в многократных циклах плавления — затвердевания. Для организации эффективного теплообмена использу­ются оребренные поверхности, капсулы, заполненные теплоаккумулирующим материалом, а также теплопро­водные матрицы (ячеистые структуры). Это необходимо в первую очередь при использовании органических ве­ществ, имеющих очень низкий коэффициент теплопро­водности [0,15 Вт/(м-°С)].

Комментарии запрещены.