Вакуумированные приемники

Использование селективно поглощающей поверхности приводит к значительному снижению радиационных потерь в приемнике. Для достижения еще более высоких температур (например, температур около 100° С или выше, в которых особенно нуждается промышленность) необходимо уменьшить также и конвективные потери. Одним из способов является размещение дополнительных стеклянных покрытий над плоским приемником (рис. 2.1, ж). Лучшим, но технически более сложным способом является вакуумирование пространства между приемной поверхностью и ее стеклянной крышкой.

Основным элементом вакуумированного приемника является двойная трубка (рис. 2.18, а). Внешняя трубка изготовлена из стекла, так как оно прозрачно для солнечного излучения, но непрозрачно для теплового. Внутренняя трубка также обычно изготавливается из стекла, широко используемого в вакуумной технике. Степень обезгаживания отожженного стекла (пирекса) такова, что давление может поддерживаться ниже 0,1 Па в течение 300 лет, что в 10¹² раз дольше, чем при использовании медной трубки. Внутренняя трубка имеет кольцевое сечение; это позволяет довольно хрупкому стеклу противостоять действию напряжений, возникающих в нем из-за перепада давлений между жидкостью внутри трубки и вакуумом снаружи. Обычно внешний диаметр трубок D = 2 см, внутренний d = 1 см. Соответствующим образом соединяя такие трубки, можно сконструировать приемник, который будет принимать как направленное, так и диффузное солнечное излучение. Рассматриваются различные варианты геометрии таких приемников; показанный на рис. 2.18, а наиболее прост для анализа. Максимальная температура для такого нагревателя из решения уравнения теплового баланса для тех же условий, что и на рис.2.3,а, будет равна: Т_p^(m)=156⁰C , при t=0,9 и a_p=0,85.

Это значение T^(m)_p меньше приведенного в табл. 2.1 для пластины, покрытой двойной стеклянной крышкой, но T^(m)_p и, что более важно, температуру на выходе из приемника T₂ можно повысить, если увеличить подвод энергии к каждой трубке, например помещая за трубкой зеркало.

Рис. 2.18. Вакуумированный приемник (а) и его эквивалентная диаграмма (б):

1- покрытие из стекла; 2 - вакуум; 3 - селективное покрытие на поверхности внутренней стеклянной стенки; 4 - жидкость; 5 - излучение; 6 - конвекция; 7 - излучение (T_f - приемная пластина, жидкость; T_cov - покрытие из стекла; T_а - окружающий воздух)

Рис. 2. 19. Поперечное сечение вакуумированных стеклянных трубчатых коллекторов:

1 - стеклянная оболочка; 2 - трубка для нагревания жидкости; 3 - лучепоглощающая поверхность; 4 - отражатель; 5 - теплоизоляция

Возможные варианты конструктивного выполнения вакуумированных стеклянных трубчатых коллекторов представлены на рисунках 2.19 и 2.20. Внутри стеклянной оболочки 1 помещаются трубка для теплоносителя 2, лучепоглощающая поверхность 3 и отражатель 4. Трубка может иметь U-образную форму (рис. 2.19, а и в) или представляет собой тепловую трубу (рис. 2.19, б и г). Внутреннее пространство оболочки вакуумировано. В конструкции, показанной на рис. 2.19, д, лучепоглощающая поверхность расположена под вакуумированными трубами и надёжно соединена с трубками для нагреваемой жидкости, помещёнными в теплоизоляцию. Обычно модуль коллектора включает ряд стеклянных вакуумированных труб, присоединённых к общей трубе, по которой движется нагреваемая жидкость. Модуль коллектора помещается в теплоизолированный корпус.

Рис. 2.20. Вакуумный стеклянный трубчатый коллектор:

1 - вакуумированная стеклянная оболочка; 2 - труба для нагреваемой жидкости; 3 - соединение металла со стеклом

Для повышения эффективности вакуумированных коллекторов используются селективные покрытия и отражатели. На внутреннюю поверхность верхней части стеклянной оболочки наносят покрытие из диоксида индия, обладающее хорошей отражательной способностью для инфракрасного излучения и не влияющее на коэффициент пропускания коротковолнового солнечного излучения. На лучепоглощающую поверхность абсорбера наносят селективное покрытие с большой величиной отношения a_short/e_long из чёрного хрома, благодаря чему снижаются оптические потери коллектора и потери теплоты путём излучения и, следовательно, повышается КПД. Нижняя часть стеклянной оболочки может быть выполнена зеркальной. Отражающая поверхность может быть размещена под стеклянной оболочкой на небольшом расстоянии от неё. Можно использовать даже плоский белый экран, который полезен ещё и потому, что он возвращает часть радиационных потерь тепла обратно к внешней трубке. Это ещё больше повышает КПД солнечного коллектора благодаря использованию рассеянного излучения.

В качестве теплоносителя используются различные среды: вода, растворы органических веществ и силиконовое масло. Температура нагрева теплоносителя достигает 90-300°С.

Можно использовать даже плоский белый экран, который полезен еще и потому, что он возвращает часть радиационных потерь тепла обратно к внешней трубке.

Рис. 2.21. Установка ‘‘солнечный душ’’ в кемпинге штат Орегон, США (фото автора)

На рисунке 2.21 представлена установка солнечный душ, которая состоит из двух систем накопления тепла с естественной циркуляцией воды. Каждая система имеет в своём составе бак-накопитель и приёмник солнечной энергии. Приёмник солнечного излучения вакуумного типа состоит из трёх секций, которые присоединены к общему коллектору. Днём, когда поток солнечного излучения максимален, вода нагревается до температуры свыше 60°С и накапливается в баке-накопителе. Вечером, и особенно утром, туристы принимают комфортный душ и расходуют горячую воду. По мере расходования горячей воды в бак-накопитель из скважины поступает холодная вода и под действием перепада давления попадает в приёмник. Нагретая вода из приёмника складируется в накопителе и цикл повторяется вновь.