ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК
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
|
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)
|
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
|
|
Таблица 12. Характеристика основных селективных поглощающих покрытий
|
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
|
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
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.