Коллектор солнечной энергии

Коллектор солнечной энергии (КСЭ) предназначен для улавливания энергии светового излучения, преобразования в тепловую энергию и передачи промежуточному теплоносителю. Улавливание солнечной энергии в коллекторе основано на способности веществ и материалов, таких как стекло, полимерные пленки, воды, пропускать световые лучи. Солнечная энергия в основном переносится световыми лучами, для которых указанные материалы практически прозрачны. Наибольшее применение имеет плоский коллектор солнечный энергии, представленный на рис. 4.

Тепловой поток энергии, подводимой к КСЭ солнечными лучами

Q_о = q_л F,

где q_л – суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на горизонтальную поверхность КСЭ, МДж/м²; F – площадь тепловоспринимающей поверхности коллектора, м².

Рис. 4. Схема коллектора солнечной энергии (КСЭ):

1 – светопрозрачная панель (стекло); 2 – корпус; 3 – теплоизоляция;

4 – трубки для теплоносителя; 5 – лучепоглощающая поверхность (абсорбер)

Лучи инфракрасного диапазона излучения (Q_от) отражаются от панели 1, а солнечная энергия светового диапазона излучения (Q_пр) беспрепятственно проходит через светопрозрачную панель (стекло) 1, прозрачную среду КСЭ и попадают на лучепоглощающую поверхность абсорбера 5. Если учесть, что солнечная энергия в основном переносится световыми лучами, то пропускательная способность D=Q_пр/Q_о, а количество теплоты, прошедшее через среду КСЭ, Q_пр = DQ_о.

Абсорбером называют совокупность лучепоглощающей поверхности 5 и трубок 4, по которым проходит жидкий (вода) или газообразный (воздух) теплоноситель, отводящий теплоту к потребителю. На абсорбере солнечная энергия световых лучей трансформируется в тепловую энергию, которая в большей части передается теплоносителю и в меньшей части отражается внутрь КСЭ. При обратном излучении энергия переносится в основном инфракрасными (тепловыми) лучами Q_инф, для которых стекло 1 и полимерные материалы КСЭ непрозрачны, а теплота обратного инфракрасного излучения, отражаясь от панели, остается внутри коллектора. Таким образом, коллектор работает как ловушка солнечной энергии: впускает энергию светового излучения Солнца и не выпускает наружу энергию инфракрасного излучения.

Поверхность абсорбера должна иметь как высокую поглощательную способность световой энергии А_абс, так и низкую степень черноты ε_абс в диапазоне инфракрасного излучения. Наивысшие значения поглощательной способности имеют поверхности, окрашенные в черный цвет. Для них А_абс доходит до 0,95. Но эти покрытия шероховаты, и степень их черноты, определяющая интенсивность инфракрасного излучения, велика. Поэтому такой абсорбер, поглощая большую долю падающей на него энергии световых лучей, будет терять и значительное количество теплоты, излучая его в виде инфракрасных лучей. Коэффициенты поглощения солнечной радиации А для отдельных материалов составляют: бетон – 0,54…0,65; алюминий чистый – 0,22; алюминий окисленный – 0,54; железо кровельное черное – 0,9; железо эмалированное белое – 0,32; железо оцинкованное – 0,68…0,79; краска масляная (разных цветов) – 0,52…0,91.

Поглощательная способность абсорбера А_абс = Q_абс / Q_пр.

Количество теплоты, воспринимаемое абсорбером Q_абс = А_абс Q_пр. Для снижения степени черноты εабс на поверхность абсорбера наносят селективные покрытия. Селективные покрытия представляют собой тонкие пленки из черного хрома или черного никеля на металлической подложке.

Селективные покрытия обладают различными оптическими характеристиками по отношению к световым и инфракрасным лучам. Из-за малой толщины слоя (меньшей, чем длина волны инфракрасных лучей) селективная пленка прозрачна для теплового излучения. В области инфракрасных лучей излучательная способность селективных пленок очень низка, а отражательная способность высока. Поэтому при нанесении селективной пленки на поверхность абсорбера его степень черноты ε_абс будет равна степени черноты полированной металлической подложки ε_сел.

Степень селективности абсорбера с пленкой оценивается отношением А_абс / ε_сел. Наилучшие результаты имеют селективные пленки с черным хромом на алюминиевой фольге (А_абс = 0,964; ε_сел = 0,023) и черным никелем на никелевой подложке (А_абс = 0,96; ε_сел = 0,11). На внутреннюю поверхность стекол также наносят селективную пленку, обладающую хорошей отражательной способностью по отношению к инфракрасным (тепловым) лучам, излучаемым от абсорбера. Нанесение селективных пленок обеспечивает значительное повышение КПД КСЭ: так, при однослойном остеклении изменение степени селективности от 1 до 12 приводит к увелчению КПД КСЭ от 45 до 60 %.

Оптическим КПД КСЭ называется произведение

η_опт = DА_абс.

Оптический КПД коллектора показывает, какая часть солнечной энергии, подведенной на панель коллектора, воспринимается поверхностью абсорбера за счет пропускательной (D) способности КСЭ и поглащательной (А_абс) способности абсорбера.

По абсорберу проходит жидкий или газообразный теплоноситель, который воспринимает всю лучистую энергию (световую и тепловую) и отводит эту теплоту к потребителю системы теплоснабжения. Количество этой полезной теплоты Q_т, отнесенное к единице времени, определяет теплопроизводительность солнечного коллектора, кВт

Q_т = G_т с_т (Т_2к − Т_1к),

где G_т – массовый расход теплоносителя, кг/с;

с_т – удельная массовая теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг·К);

Т_1к и Т_2к – начальная и конечная температуры теплоносителя, °С или К.

Однако не вся теплота, поглощенная абсорбером Q_абс доходит до теплоносителя. Часть теплоты с наружной поверхности абсорбера за счет конвекции, теплопроводности и излучения отводится к внутренней поверхности стенок коллектора.

В стационарном тепловом режиме теплота в этом же количестве проходит через стенки коллектора, а затем теряется в окружающую среду с наружной поверхности КСЭ. Эти явления протекают одновременно, влияют друг на друга, и такое совокупное воздействие носит название сложный теплообмен. Конвекция, например, часто сопровождается тепловым излучением, теплопроводность в пористых телах – конвекцией и излучением в порах, а тепловое излучение – теплопроводностью и конвекцией.

В практических расчетах разделение таких сложных процессов на элементарные явления не всегда возможно и целесообразно. Обычно результат совокупного действия отдельных элементарных явлений приписывается одному из них, которое и считается главным, а влияние остальных (второстепенных) явлений сказывается лишь на количественной характеристике основного процесса. Так, например, при распространении теплоты с поверхности абсорбера F_абс к внутренней поверхности стенок коллектора вткачестве основного явления принято считать теплоотдачу конвекцией и излучением, а влияние теплопроводности в среде коллектора учитывается соответственным увеличением значения коэффициента теплоотдачи, либо в среде КСЭ используется понятие кондуктивной теплопроводности.

Количественной характеристикой совокупного теплового процесса является суммарный, или общий, коэффициент теплоотдачи

α_общ = α_к + α_л,

где α_к – коэффициент теплоотдачи за счет конвекции и теплопроводности;

α_л – коэффициент теплоотдачи излучением.

Обозначим через Т_абс – температуру поверхности абсорбера и Т_с – температуру среды коллектора. От каждой единицы поверхности абсорбера F_абс теряется теплота путем конвекции:

q_к = α_к(Т_абс – Т_с),

и путем теплового излучения:

q_л = ε_пр с₀ [(Т_абс / 100)⁴ – (Т_с / 100)⁴],

где ε_пр – приведенная степень черноты системы тел;

с₀ = 5,67 Вт/(м2⋅К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Суммируя q_к и q_л, имеем

q_общ = q_к + q_л = α_к (Т_абс – Т_с) + ε_пр с₀ [(Т_абс / 100)⁴ – (Т_с / 100)⁴].

Вынося разность (Т_абс – Т_с) за скобки, получим основное выражения для расчета сложного, или суммарного, теплообмена:

q_общ = (α_к + α_л) (Т_абс – Т_с) = α_общ (Т_абс – Т_с).

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формуле

α_л = ε_пр с₀⋅10⁻⁸(Т_абс⁴ – Т_с⁴) / (Т_абс – Т_с) = ε_пр с⁰ θ,

где θ – температурный коэффициент.

Если стенки КСЭ омываются капельной жидкостью (водой), тогда α_л = 0 и α_общ = α_к. Значение θ зависит только от температур Т_абс и Т_с, а ε_пр вычисляется согласно степени черноты системы.

Если обозначить (Т_абс + Т_с)/2 = Т_т, то при 0,9 < Т_абс / Т_с < 1,1 температурный коэффициент θ ≈ 0,04(Т_т/100)³. При таком допущении αл = 0,04ε_пр с₀ (Т_т / 100)³, а ошибка расчета не превышает 1 %.

В случае, если в качестве основного принят процесс теплового излучения, расчетная формула суммарной теплоотдачи будет иметь вид

q_общ = (ε_кт + ε_пр) с₀ [(Т_абс / 100)⁴ – (Т_с / 100)⁴],

а участие в процессе конвективного теплообмена учитывается увеличением приведенной степени черноты системы за счет εкт = α_к / (с₀ θ).

Тепловые потери КСЭ могут быть рассчитаны и по формуле, Вт

Q_п = Q_к + Q_л = α_к F (Т_нп – Т_в) + ε с₀ F [(Т_нп / 100)⁴ – (Т_в / 100)⁴],

где α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией с поверхности коллектора к

окружающему воздуху, Вт/(м2·К);

F – площадь наружной теплоотдающей поверхности КСЭ, м²;

Т_нп – средняя температура наружной поверхностиКСЭ, К;

Т_в – температура наружного окружающего воздуха, К;

ε – степень черноты наружной поверхности КСЭ.

Тепловые потери КСЭ могут быть рассчитаны и по формуле, Вт

Q_п = kF_абс (Т_абс – Т_в),

где k – эффективный коэффициент теплопередачи от среды в коллекторе к окружающему наружному воздуху, Вт/(м2·К);

F – площадь теплоотдающей поверхности абсорбера, м2;

Т_абс – средняя температура наружной поверхности абсорбера, °С или К;

Т_в – температура наружного окружающего воздуха, °С или К.

Возможно и другое решение теплового процесса в КСЭ.

Условия движения жидкости в ограниченном пространстве КСЭ зависят от формы, геометрических размеров пространства, рода жидкости и интенсивности теплообмена. Характер движения жидкости при естественной конвекции в прослойках определяется расположением нагретых и холодных поверхностей и расстояниями между ними.

В горизонтальных прослойках характер движения жидкости определяется расположением нагретой поверхности: если она сверху – циркуляция отсутствует, а если снизу – чередование восходящих и нисходящих потоков. Циркуляция жидкости в вертикальных прослойках зависит от их толщины δ. При большой толщине δ движение жидкости имеет характер, как вдоль вертикальной поверхности в неограниченном пространстве. При малой толщине δ возникают циркуляционные контуры вследствие взаимных помех восходящих и нисходящих потоков. В шаровых и горизонтальных цилиндрических прослойках циркуляция жидкости зависит от соотношения диаметров, расположения нагретой поверхности.

Процесс сложного конвективного теплообмена в прослойках принято рассматривать как элементарное явление теплопроводности, для чего введено понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности λ_экв=Q/(FΔТ_δ) и коэффициента конвекции ε_к = λ_экв /λ_ж.

Плотность теплового потока (тепловых потерь) от горячей поверхности абсорбера (Табс) к внутренней поверхности корпуса КСЭ (Т_к) через жидкостную прослойку толщиной δ с коэффициентом теплопроводности λ_ж определяется из выражений

q_п = λ_экв (Т_абс −T_к )/δ ; λ_экв = λ_жε_к .

Для всей области значений критериев Грасгофа и Прандтля (Gr_f Pr_f ) и приближенной оценки εк плоских, цилиндрических и шаровых прослоек

ε_к = 0,18(Gr_f Pr_f )^0,25 ,

где в качестве определяющей принята средняя температура горячей и холодной стенок прослойки (Т_абс+Т_к)/2, а за определяющий геометрический размер – толщина прослойки δ.

Коэффициент λ_экв в прослойке иногда называют коэффициентом кондуктивной теплопроводности.

Доля любых тепловых потерь КСЭ составляет: q_п = Q_п / Q_о.

Эффективность работы абсорбера КСЭ оценивается по формуле

Q_абс = Q_т + Q_п или Q_т = Q_абс − Q_п.

Эффективность использования солнечной энергии характеризуется КПД коллектора, который показывает, какая доля солнечной энергии Q_о, поступившей на коллектор, передается потребителю Q_т:

η_ксэ = Q_т / Q_о или η_ксэ = η_опт − q_п.

Следовательно, для повышения КПД коллектора солнечной энергии ηксэ необходимо улучшать радиационные характеристики абсорбера и снижать тепловые потери КСЭ в окружающую среду. Для этого используют тепловую изоляцию корпуса КСЭ и селективные покрытия, наносимые на лучевоспринимающую поверхность абсорбера.

Для теплоизоляции КСЭ боковые поверхности и дно закрывают пенопластом, стекловатой или другим эффективным теплоизоляционным материалом. Остекление КСЭ, помимо основной своей роли – пропуска световых лучей, также играет роль теплоизоляции и может быть одно-, двух- и трехслойным. С ростом числа слоев тепловые потери уменьшаются, но ухудшается и пропускная способность остекления.