Основные параметры гелиоколлекторов

Для выявления тенденции развития конструкции коллекторов необходимы сопоставление и тщательный анализ следующих характеристик:

– конструктивных параметров;

– теплоэнергетических параметров;

– оценку материала каждого элемента коллектора;

– технологичность изготовления коллекторов.

На основе анализа определяются пути снижения себестоимости коллекторов при изготовлении.

К конструктивным параметрам относятся:

- габаритная площадь;

- удельная масса (на единицу габаритной площади);

- отношение эффективной (рабочей) площади к габаритной;

- удельный объем каналов поглощающей панели.

Габаритная площадь зарубежных конструкций находится в диапазоне от 1 до 6 м², однако площади от 1,5 до 2,5 м² имеют до 53% коллекторов. Следует учесть, что при малой габаритной площади единичного коллектора заметно возрастает удельная (на 1 м² площадь) стоимость.

При слишком больших габаритах и массе появляются существенные трудности при перевозке коллекторов и их монтаже.

В США наиболее часто встречаются с габаритной площадью менее 2,0…2,5 м² (24% случаев) коллекторы с габаритной площадью менее 1,0 м² почти не выпускаются. Габаритная максимальная площадь единичного коллектора составляет около 5,0 м². В Западной Европе большинство конструкций коллекторов имеют площадь от 1 до 2,5 м² (около 70%). В России площадь большинства коллекторов от 0,8 до 1,5 м².

Удельная масса зарубежных конструкций (рисунок 1) находится в диапазоне 10 до 40 кг/м², наиболее распространенная удельная масса от 15 до 25 кг/м², которая составляет до 70 %. В основном это коллекторы с прозрачной изоляцией и поглощающим элементом, выполненным либо целиком из меди, либо из медных трубок и алюминиевого листа.

Удельная масса незаполненного коллектора в США находится в пределах

от 26 до 35 кг/м². В Западной Европе до 90% СК имеют удельную массу от 20 до 30 кг/м². В России от 20 до 50 кг/м², и лучший на сегодняшний день Российский коллектор НПП ²Конкурент²имеет удельную массу 23 кг/м².

Отношение площади тепловоспринимающей поверхности к габаритному площади солнечного коллектора или, другими словами, коэффициент заполнения К_з, служит качественной характеристикой конструкции коллектора. При низком значении коэффициента заполнения коллектор имеет хорошую боковую изоляцию, однако его габаритная площадь неоправданно завышена по отношению к площади тепловоспринимающей поверхности. В свою очередь, при значениях К_з, близких или равных единице, мала толщина боковой изоляции, или она вообще отсутствует, что повышает потери через боковые грани. Почти у 80% модификации солнечных коллекторов США коэффициент заполнения находится в диапазоне 0,88…0,96. Очевидно, этот диапазон соответствует конструктивному оптимальному решению, когда при достаточно хорошей боковой изоляции максимально развита площадь тепловоспринимающей поверхности. Самое низкое значение коэффициента заполнения равно 0,83, а самое высокое –1,0. Последнее значение К_з соответствует солнечным коллекторам без боковой и прозрачной изоляции, предназначенным для подогрева воды в плавательных бассейнах. Как следует из рисунка, коэффициент заполнения охватывает диапазон от 0,81 до 0,99, у 50 % коллекторов имеют К_з 0,9…0,96. У российских коллекторов К_з достигнут до 0,9.

Важнейшим параметром, характеризующим конструкцию поглощающей панели, является удельный объем каналов теплоносителя. Дело в том, что чем меньше объем жидкости в солнечном коллекторе, тем меньше его тепловая инерция. При этом коллектор быстрее входит в рабочий режим, увеличивается скорость теплоносителя в каналах, что повышает коэффициент теплоотдачи от стенки канала к жидкости.

Удельный объем каналов у зарубежных конструкций лежит в диапазоне от 0,37 до 4,37 л/м², однако 80 % имеют 0,37 до 2,37 л/м². У российских коллекторов удельный объем каналов 0,37 до 5,37 л/м².

Основным узлом солнечного коллектора является поглощающая панель –котел. Одним из первых был изготовлен и начал использоваться солнечный коллектор с котлом ²труба в листе². Большей частью, котлы такого типа изготавливается из медных труб и медных пластин. Медные трубы диаметром 9-15 мм и 20-28 мм припаиваются к медному листу толщиной 0,45 мм. Расстояние между осями соседних труб рекомендуется принимать равным 100-150 мм. В Великобритании в настоящее время рекомендуется использовать несколько более толстые медные листы толщиной 0,56-0,91 мм.

Важнейшим показателем качества солнечного коллектора является его теплоэнергетические параметры. Согласно ГОСТу 28310-89 ²Солнечные коллекторы² таковыми являются:

- произведение коэффициента эффективности поглощающей панели оптического КПД коллектора (F¢×ta) - (где t–пропускательная способность прозрачной изоляции, a–поглощательная способность панели коллектора);

- произведение F¢ и полного коэффициента тепловых потерь U_L Вт/(м²×К).

Эти параметры определяются экспериментально при испытаниях солнечных коллекторов. Результаты эксперимента аппроксимируется уравнением

h=F¢×ta-F¢U_LT*, (1)

где h – КПД коллектора;

T* – так называемая приведенная температура, равная .

Для солнечных коллекторов США с селективным поглощающим покрытием значения F_R×U_L лежат в диапазоне от 3,3 до 5,3 Вт/(м²×°С).

Для коллекторов без прозрачной изоляции значения F_R×U_L лежат в диапазоне от 10 до 23 Вт/ (м²×°С). Значения F_R×U_L для западноевропейских коллекторов лежит в пределах от 4,3 до 9,3 Вт/ (м²×°С) с некоторым максимумом от 6,3 до 7,3 Вт/ (м²×°С).Значение F_R×(ta) у 90 % коллекторов США это значение лежит в диапазоне 0,66…0,81 с максимумом в диапазоне 0,71…0,76. У западноевропейских коллекторов – в пределах 0,71…0,81.

Анализ разработок ГК показывает, что существенным вопросом является выбор материала поглощающей панели и технологичность изготовления.

Для повышения эффективности работы гелиоустановки должен быть оптимизирован угол наклона трубчатого коллектора.

Оптимальный угол наклона к горизонту плоского коллектора, ориентированного в южном направлении и используемого летом, равна:

S =Ψ–15°,(2)

где Ψ – географическая широта местности, для города Алматы 43°.

Углы наклона гелиоколлекторов рекомендуется, исходя из продолжительности работы гелиоустановки – для летнего периода S_реком.= Ψ –15°, зимнего периода S_реком.= Ψ +15°, круглогодичного периода S_реком.= Ψ.