Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Комбинированные тепловые гелиосистемы. Ч. 1. Тепловые солнечные коллекторы для индивидуальных и децентрализованных систем отопления и горячего водоснабжения: учебное пособие.

Торопов А. Л.,

2.2. Плоские закрытые солнечные трубчатые тепловые коллекторы

Исходя из названия, солнечные теплообменники данного типа закрыты от воздействия атмосферных факторов и имеют плоскую поверхность. Конструкция устройства представлена на рис. 10.

Плоский трубчатый солнечный коллектор состоит из:

– несущего корпуса;

– плоского абсорбера;

– трубки с теплоносителем;

– прозрачного закаленного стекла (однослойное, двухслойный пакет);

– теплоизоляции задней стенки корпуса;

– входных и выходных патрубков подсоединения к магистрали системы отопления и ГВС.

Плоские солнечные коллекторы располагаются непосредственно на склонах крыш, направленных по направлению к югу, или на специальных рамах для установки на плоских крышах или площадках.

Рис. 10. Конструкция закрытого плоского трубчатого солнечного коллектора

Принцип работы данных устройств заключается в следующем.

Солнечные лучи проходят через переднее плоское прозрачное защитное стекло, способное выдержать снеговые нагрузки, град и другие механические воздействия, через воздушную прослойку в несколько сантиметров, которая является теплоизолятором, и нагревают поверхность абсорбера. Для лучшего поглощения солнечных лучей, поверхность абсорбера покрыта селективным покрытием. К абсорберу прикреплены трубки из теплопроводного материала, по которым циркулирует теплоноситель. Абсорбер нагревает трубки, которые передают тепло теплоносителю. Движение теплоносителя в системе создается циркуляционным насосом. Вся конструкция смонтирована на прочной раме.

Конкретные значения размеров элементов плоских солнечных коллекторов определяются их производителями и являются решениями проектировщиков, но типовыми значениями можно признать следующие:

– защитное прозрачное стекло – 3–3,5 мм. При меньшей толщине, трудно обеспечить прочность, при большей, возрастает вес и снижается КПД;

– воздушный зазор между стеклом и абсорбером – 25–35 мм. При меньшем размете растут теплопотери, при большем, габариты и вес;

– толщина нижнего теплоизоляционного слоя – 35–50 мм. При меньшем значении, плохая термоизоляция, при большем, растут габариты и вес.

Некоторые конструкции плоских солнечных коллекторов и их варианты размещения представлены на рис. 11.

Абсорберы плоских коллекторов бывают цельнолистовыми и перьевыми.

Рис. 11. Некоторые конструкции плоских солнечных коллекторов и варианты их размещения на крышах зданий

В перьевых абсорберах к отдельным пластинам прикреплена или приварена трубка, в которой циркулирует теплоноситель. Трубки в таких абсорберах соединяются между собой в виде «арфы» (коллекторный тип).

В цельнолистовых абсорберах система распределения теплоносителя бывает в виде «меандра» или же трубки соединенные коллекторным типом.

На рис. 12 представлены перьевые и цельнолистовые абсорберы плоских коллекторов, а на рис. 13, схемы соединения трубок.

Рис. 12. Перьевые и цельнолистовые абсорберы плоских коллекторов

Рис 13. Варианты соединение трубок в плоских коллекторах

В первом варианте соединения трубок, возникает вопрос равномерного распределения жидкостей по каналам. Обычно это достигается увеличением диаметра горизонтальных участков труб коллектора. Во втором варианте, необходимо предусмотреть уклоны для обеспечения вытеснения воздуха при его заполнении.

Апертурная площадь (aperture area). Площадь прозрачного ограждения солнечного коллектора, через которое солнечное излучение поступает в коллектор [1].

Однако лучше сказать, что это площадь видимой части плоского абсорбера через прозрачное ограждение.

Преимущества закрытых плоских трубчатых коллекторов

Высокая эффективность работы летом. При правильном выборе направления ориентации на солнце.

Имеют значительно более высокую эффективность, чем открытые солнечные коллекторы.

Перепад температур между коллектором и атмосферным воздухом может достигать 20–60 °С.

Хорошее соотношение цена- эффективность при эксплуатации систем только в летний период времени.

Способность самоочищаться от снега и инея. Данная способность определяется не конструкцией самого плоского солнечного коллектора. Снег оседает на поверхность и иней образуется на ней и у плоского и у другого любого коллектора в ночные часы или при полной облачности. У систем ГВС и отопления с использованием плоских трубчатых коллекторов есть возможность принудительно подогреть теплоноситель в трубках, и он нагреет абсорбер, который, в свою очередь, нагреет стекло солнечного коллектора. Снег и иней, находящийся на поверхности коллектора, растают. Применение вакуумных пакетов плоских коллекторов позволяет их использовать в более холодные периоды, но исключают возможность самоочищения.

Эффективно преобразовывает прямую солнечную радиацию. Плоские солнечные коллекторы имеют наибольшее соотношение площади абсорбера к площади всего коллектора, значит, при определенном направлении падения солнечных лучей, они имеют возможность использовать всю энергию солнца, действующую на квадратный метр поверхности.

Недостатки закрытых плоских трубчатых коллекторов

Низкая эффективность работы в холодное время года. Воздушная прослойка между защитным стеклом и абсорбером и стекло имеют значительную теплопроводность и если на улице холодно, то большая часть солнечной энергии, которая преобразуется на абсорбере в тепловую, отдается в атмосферу. Особенно это усиливается в ветряную погоду. Таким образом, чем ниже температура, тем менее эффективен плоский солнечный коллектор.

Использование вакуумных трубчатых плоских коллекторов возможно, но они обладают очень высокой ценой и экономическая эффективность применения их сомнительна. Рекомендуемая температура эффективного использования солнечных коллекторов данного типа, выше 10 °С, что ограничивает районы круглогодичного использования данных приборов.

Ограниченный период эффективной работы в дневное время. Плоские коллекторы – стационарные объекты строго ориентированные в пространстве. Поскольку Солнце перемещается по 15 градусов каждый час, то эффективная работа плоского солнечного коллектора длится не более 5 часов в сутки, в то время, как продолжительность светового дня в летний период, к примеру в Москве, составляет до 17,5 часов.

Сложность транспортировки и монтажа. Плоские солнечные коллекторы, в собранном виде – это габаритная тяжелая конструкция, которую трудно транспортировать личным транспортом и монтировать на крышах домов. Работы должны выполняться с применением грузоподъемной техники несколькими людьми. В пассажирские лифты и лестничные марши частных домов данные устройства, как правило, не помещаются.

Сложность ремонта. При повреждении стеклянного защитного покрытия, или выходе из строя элементов плоских солнечных коллекторов, требуется полная замена всего коллектора. Ремонт должен быть выполнен в мастерской. Фактически, данная проблема приводит к полной остановке работы системы до замены поврежденного коллектора.

Высокая парусность. Плоские коллекторы имеют высокую парусность. Они могут быть установлены непосредственно на склоны крыш домов, но такая установка, как правило, приводит к значительному падению эффективности работы устройства, поскольку реальные дома имеют склоны крыш с разной ориентацией на солнце и разные уклоны. Для большей эффективности, коллекторы устанавливаются на раму, которая крепится на крыше. Но из-за больших габаритов, парусности и веса, данные конструкции должны быть прочными.

КПД закрытых плоских солнечных коллекторов

В данном разделе мы рассматриваем значения максимального мгновенного КПД солнечных коллекторов (при фиксированном положении Солнца).

Оптический КПД солнечного коллектора определяет, какой процент излучения, попадает через прозрачное покрытие на коллектор и поглощается абсорбером. Данный показатель полностью характеризует применяемые материалы защитного прозрачного, материала и покрытия абсорбера, не зависит климатических факторов и конструктивных и тепловых параметров гелиоситемы. Наилучшие показатели оптического кпд современных солнечных коллекторов составляют 0,92–0,94.

Мгновенный КПД можно определить по формуле:

КПД = КПДопт – K∙(Т1 – Т2)/Ис, (2)

Параметры, влияющие на кпд солнечного коллектора:

– интенсивность солнечной энергии;

– температура наружного воздуха;

– конструктивные характеристики солнечного коллектора;

– свойства поверхности абсорбера – материал и толщина листа, толщина, коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, шаг труб;

– рабочие параметры всей гелиосистемы (расход теплоносителя и его температура на входе).

При сравнении различных материалов, используемых для изготовления абсорбера, – меди, алюминия, стали, пластмассы – установлено, что с увеличением произведения толщины листа на его коэффициент теплопроводности, значение КПД коллектора возрастает. При одинаковой толщине абсорбер из металлов и пластика, кпд конструкции из пластика в два раза меньше [2].

Расстояние между трубками в плоском абсорбере обычно меняется от 50 до 150 миллиметров, при этом, его КПД меняется от 0,989 до 0,948 если он выполнен из меди, от 0,88 до 0,934, для алюминия и 0.984 до 0,819 для стали [2].

Уменьшение диаметра трубок снижает эффективность на 2–4 %.

Очень большую роль в эффективности работы плоских солнечных коллекторов играют атмосферные факторы, так при уменьшении температуры окружающего воздуха с 25 до 10 °С, КПД падает примерно на 25 %. При появлении облачности – в два раза, допустим интенсивность солнечного излучения упала с 1000 до 500 Вт/м2, тогда коллектор площадью один квадратный метр произведет примерно в 4 раза меньше тепловой энергии, чем в первом случае.

Чем ниже температура входящего теплоносителя, тем выше КПД.

Увеличение расхода теплоносителя влечет увеличение КПД до определенной величины и потом остается неизменным.

Важным фактором также является качество селективной поверхности абсорбера. У лучших, показатель их эффективности составляет 0,96, в то время, как простая черная краска имеет данный показатель на уровне 0,5.

На рис. 14 показаны зависимости мгновенного КПД закрытого плоского солнечного коллектора с высокоселективной поверхностью абсорбера от интенсивности солнечного потока (1000, 800, 500, 300 Вт/м2, разности температур теплоносителя и окружающего воздуха, при наилучших показателях оптического КПД (0,82) и углу падения солнечных лучей перпендикулярно поверхности при коэффициенте потерь, равным 7 Вт/м2∙°С.

Рис. 14. Зависимости КПД плоского высокоселективного солнечного коллектора от разности температуры на входе и выходе из коллектора при разных значениях интенсивности солнечного излучения

Из рисунка видно, что при максимальной интенсивности солнечного излучения, равной 1000 Вт/м2, мгновенный максимальный КПД солнечного коллектора меняется от 82 до 58 %, при перепаде температур 60 °С. Но, все таки, перепад температур в 60 °С система создать может. Но при интенсивности солнечного излучения в пасмурную погоду, плоский солнечный коллектор способен нагреть теплоноситель на температуру не более 25 °С.