Классификация и конструкций солнечных коллекторов

По принципу исполнения гелиоколлекторы разделяются на два типа: низко­потенциальные и высокопотенциальные, соответственно

По конструкции они об­разуют две большие группы: плоские и с фокусирующими концентраторами.

Плоские гелиоколлекторы поглощают, как прямое, так и рассеянное излучение, и является предпочтительными при нагреве теплоносителя до температур ниже 100°С, а концентрирующие коллектора представляют собой оптическую систему усиливающего излучение, и теплоноситель в них нагревается до высоких температур. Плоский солнечный коллектор– устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую.

Плоские солнечные коллекторы (см. рисунок 8) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность;

5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель; 7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.

Рисунок 8 – Плоский солнечный коллектор

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения.

Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80°С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

В ПК выявлены следующие типы конструкции поглощающих панелей:

– панельные, которые делятся на трубчатые, лист-труба, лист;

– емкостные соответственно спиральные, ²подушка²;

– с теплопроводной средой;

– вакуумированные;

– коллекторы с тепловыми трубами.

На рисунке 9 показаны различные конструкций поглощающих панелей.

А) – лист- труба; Б) – гофрированная поверхность с каналами; В) – штампованная поверхность с каналами; Г) – поверхность с прямоугольными каналами

Рисунок 9 - Схемы различных конструкций поглощающих панелей

Достоинством плоских коллекторов является способность поглощать прямого и рассеянного излучения и простота конструкций.

Гелиоколлекторы с концентраторами делятся на следующие конструкции:

– зеркальные и диффузные, обусловливающие отражатели различной конфигурации, в которую входят эвольвентные, параболоидные; спиральные, параболоцилиндрические;

– цилиндрические линзы Френеля и сферические линзы Френеля;

В фокусирующих ГК между источником и приемником излучения установ­лено оптическое устройство-концентратор, благодаря чему увеличивается плот­ность лучистого потока, падающего на приемник, по сравнению с плоским кол­лектором, равным по площади выходу в оптическое устройство. Численное значе­ние этого увеличения называют степенью концентрации.

Фокусирующие системы подразделяются на параболоиды (высокая концентрация, температура рабочая 250-650°С, КПД 60-70%); параболоцилиндры () и плоские пластины (низкая концентрация, рабочая температура 60-140°С, КПД 30-50%).

На рисунке 10 показаны различные конструкцийгелиоколлекторы с концентраторами.

Параболоцилиндрический концентраторы обеспечивают концентрацию солнечных луей на одной линии, характеризуется средней концентрацией, температура рабочая 150-400°С, КПД 50-70% (рисунок 11). Снабжены системой слежения за солнцем.

Параболический концентратор управляется по двум координатам. Он сконцентрирует солнечные лучи на небольшую площадь, характеризуется высокой концентрацией, температура рабочая 250-650°С, КПД 60-70% (рисунок 12).

А) – параболоцилиндрический концентратор; Б) - параболический концентратор; В) – концентратор на основе плоской линзы Френеля.

Рисунок 10 - Конструкция различных концентраторов

1 – солнечные лучи; 2 – теплоприемная труба; 3 – зеркало; 4 – система слежения.

Рисунок 11 - Параболоцилиндрический концентратор

1 – солнечные лучи; 2 – теплоприемная труба; 3 – зеркало; 4 – система слежения; 5 – труба для теплоносителя.

Рисунок 12 - Параболический концентратор

Линза Френеля изготавливается из цельного стекла, имеет поперечное сечением специальной формы (рисунок 13).

1- Линза Френеля с зубчатым сечением; 2 – труба для теплоносителя; 3- изоляционный материал.

Рисунок 13 – Концентратор с линзой Френеля

На рисунке 14 дан разрез гелиоколлектора фирмы ²Corning² с тепловой трубой и желобчатым зеркалом. Некоторые отличительные черты желобчатого зеркала заключается в следующем: касательные с поверхности поглотителя перпендикулярны зеркалу;– поверхность поглотителя равна углу раствора, а концентрация С=1.

Концентраторы с диффузными отражателями различной формы, обеспечивают более низкие оптические КПД. Их можно изготовить окрашиванием металлического листа белой краской, относительно более долговечны и требует значительно меньше затрат на материалы и изготовление по сравнению с зеркальными отражателями.

1-пар, 2-приемник лучей с селективным покрытием, 3-пористый фитиль,

4-желобчатое зеркало, 5-трубчатый стеклянный кожух, 6-угол раствора, 7-солнечные лучи.

Рисунок 14 – Поперечный разрез гелиоколлектора

с желобчатым зеркалом

На рисунке 15 показан СК, состоящий из профилей, изогнутых в виде спирали. Попадая в спираль, прямая радиация, отражаясь, попадает вовнутрь спирали и поглощается круглой трубой.

1- Отражающая поверхность; 2- труба коллектора

Рисунок 15 - Солнечный коллектор с отражателем, изогнутым по спирали

Достоинства гелиоколлекторы с концентраторами: возможность получения тепла (пара) высокой температуры;

Недостатки:высокая стоимость, необходимость очистки от пыли, работа в светлое время суток, необходимость аккумулятора большого объема и системы слежения за солнцем, расход электроэнергии на работу системы слежения.

Трубчатые вакуумированные коллекторы

Солнечный вакуумный коллектор имеет значительно меньшие тепловые потери в окружающую среду, поскольку вакуум является идеальным теплоизолятором. Однако достаточно сложно сделать вакуум и удержать его в солнечном коллекторе со временем эксплуатации.

Коллекторы с вакуумной тепловой изоляцией обыкновенно изготавливают из цилиндрических трубок. Вакуумные трубчатые коллекторы обеспечивают, по сравнению с плоскими коллекторами, более высокую эффективность преобразования солнечной энергии и температурные уровни, что позволяет нагреть теплоноситель до температуры порядка 80…100°С

Трубчатая форма в виде колбы наиболее оптимальна для создания и удержания вакуума. Именно поэтому наибольшее распространение в бытовом секторе получили вакуумные трубчатые коллекторы.

Наиболее распространенные солнечные вакуумные трубчатые коллекторы можно классифицировать по двум основным конструктивным особенностям стеклянных трубок и теплового канала, используемых в качестве абсорбера солнечного коллектора:

- по типу стеклянной трубки (коаксиальная, перьевая);

- по типу теплового канала (тепловая трубка «Heat pipe», прямоточная);

Существует два основных типа конструкции стеклянной трубки: коаксиальная трубка и перьевая трубка.

Коаксиальная трубкав соответствии с рисунком 16,a фактически является термосом, представляет собой двойную стеклянную колбу, в пространстве между трубками откачан воздух (создан вакуум). На стенке внутренней трубки нанесено поглощающее покрытие, поэтому передача тепла происходит от самой стеклянной колбы.

Перьевая трубка в соответствии с рисунком 15,б представляет собой одностенную стеклянную колбу.

Вакуум в данной трубке находится в пространстве теплового канала, где часть теплового канала и абсорбера интегрирована внутри самой колбы.

По типу теплового канала солнечные вакуумные трубчатые коллекторы можно разделить на два типа: тепловой канал типа «Heat pipe» и прямоточный тепловой канал.

а) б)

Рисунок 16 - Вакуумная коаксиальная колба (а) и перьевая трубка (б)

Солнечный вакуумный коллектор с трубкой типа «Heat pipe» так же известны под названием тепловая труба, занимает большую часть рынка солнечных коллекторов. Схема работы тепловой трубки в вакуумном коллекторе показана в соответствии с рисунком 17.

Принцип работы тепловой трубки основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (меди или алюминия) находится легкоиспаряющаяся жидкость, перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость нагреваясь под действием солнечного излучения, испаряется на нижней части трубки, поглощая теплоту испарения и конденсируется в верхней части (теплосборнике), а затем снова перетекает вниз и процесс повторяется. Теплоноситель через поглотитель отбирает выделяемое тепло.

В вакуумных трубчатых солнечных коллекторах с прямоточным каналом, в соответствии с рисунком 18 теплоноситель непосредственно протекает и нагревается в каждой из трубок коллектора.

Рисунок 17 - Схема работы тепловой трубки в вакуумном солнечном коллекторе

Рисунок 18 - Конструктивная особенность солнечного коллектора с прямоточным тепловым каналом

В соответствии с рисунком 19 вакуумная коаксиальная трубка может сочетаться с тепловым каналом типа «Heat pipe». Данный солнечный вакуумный коллектор является наиболее распространенным ввиду своей дешевизны и простоты замены поврежденных трубок. Эти коллекторы имеет довольно сложный процесс передачи тепла. Тепло передается несколько раз, от стекла к алюминиевому оребрению, а затем от алюминия к самой тепловой трубке и только потом передается теплоносителю гелиосистемы. Поэтому в сочетании с круглой формой абсорбирующей поверхности эффективность солнечного коллектора этого типа невысока. Показатели максимального КПД (оптического КПД "η₀") коллектора до 65%.

Коаксиальная вакуумная трубка так же может быть использована для коллектора с прямоточным тепловым каналом. Данный тип солнечного

вакуумного коллектора получил название коллектор с «U»-образной трубкой.

В данных типах коллекторов, за счет уменьшения количества теплопередач (теплота от алюминиевого слоя передается сразу трубкам, в которых циркулирует теплоноситель гелиосистемы), максимальный КПД может составлять для некоторых моделей до 76%. Недостатком может являться то, что при определенном характере повреждения замены может потребовать весь солнечный коллектор, а не только колба.

В соответствии с рисунком 20 перьевая трубка может сочетаться с тепловым каналом «Heat pipe». Данные солнечные вакуумные трубчатые коллекторы имеют более высокие оптические характеристики, чем коллекторы с коаксиальной трубкой. У некоторых производителей значение максимального КПД достигают 77%. Этому способствуют некоторые конструктивные особенности: плоский абсорбер с непосредственной передачей теплоты к тепловой трубке, а так же один слой стекла, что значительно уменьшает отражение солнечного излучения. Так же удобным является процесс замены поврежденных трубок, не требующий замены всего коллектора и сливания теплоносителя всей гелиосистемы. Наиболее эффективным сочетанием является перьевая трубка и прямоточный тепловой канал.

1-стеклянная колба; 2-вакуумная прослойка; 3-медный абсорбер с высокоселективным покрытием; 4 -тепловой канал с легкоиспаряющейся жидкостью Рисунок 19 - Перьевая трубка с тепловым каналом типа "Heat pipe"

1-стеклянная колба; 2 – вакуумная прослойка; 3-медный абсорбер с высокоселективным покрытием; 4- внутренний тепловой канал с теплоносителем (подающий); 5-наружный тепловой канал с теплоносителем Рисунок 20 - Перьевая трубка с прямоточным тепловым каналом

Такой солнечный вакуумный коллектор имеет максимальный КПД до 80%. При замене поврежденных трубок требуется сливать теплоноситель всей гелиосистемы. Так же эти коллекторы обладают довольно высокой ценой.

На рисунке 21 показан гелиоколлектор из вауумированных колб с тепловой трубкой, а на рисунке 22 – гелиоустановка с бак-аккумулятором и гелиоколлектором, состоящего из перьевых трубок с прямоточным тепловым каналом.

Рисунок 21- гелиоколлектор из вауумированных колб с тепловой трубкой

Рисунок 22 – Гелиоустановка с бак-аккумулятором и гелиоколлектором, состоящего из перьевых трубок с прямоточным тепловым каналом.