Согласно (3.2) при <j = 750 Вт/м^, = 20 ОС, П-о = 0.8 и = 7,5 Bi/(m2.oc) (типичное значение для коллектора с одинарным остеклением и панелью, окрашенной обычной черной краской) значение t« составляет 100 °С.

С учетом (3.2) уравнение (3.1) можно переписать в виде

(3.3)

Важной характеристикой коллектора является его КПД, который определяется как отношение теплопроизводительности к падающему потоку солнечной радиации. Согласно (3.1)

(3.4)

Зависимость п. от (t.^ - t^)/Q^t^ графически представляет собой пря-j мую линию, которую рассматривают как тепловую характеристику коллектора. При этом//^о - отрезок, отсекаемый этой прямой на ос» ординат, а fk- угловой коэффициент прямой. В соответствии с уравне нием (3.4) КПД изменяется от максимального значения / при = о Д° нуля при ж " яо . Параметры //г.о п 4, характеризующие совершенство коллектора, часто используют для сравнения коллекторов между собой. С этой целью применяют также величины /ig и к, где /^^ -так называемый коэффициент отвода теплоты из коллектора, который связан с/выражением:

__£. [1_ехр(--i-.)].

(3.5)

где q — удельный (на единицу площади тепловоспринимающей поверхности коллектора) расход теплоносителя через коллектор; Ср — удельная теплоемкость теплоносителя.

Если в уравнении (3.1) заменить среднюю температуру теплоносителя на его температуру на входе в коллектор, то / в этом уравнении следует заменить на /j^:

(3.6)

Позднее при анализе отечественного и мирового технического уровня солнечных коллекторов будут указаны диапазоны изменения значенийо ичаще всего наблюдаемых на практике.

Способы повышения эффективности. В зависимости от конкретного назначения системы солнечного теплоснабжения теплоноситель в коллекторе требуется нагревать до различной рабочей температуры;

при этом соответственно изменяется средняя температура поглощающей панели. В системах горячего водоснабжения она составляет около 50 °С. Указанный температурный уровень достаточно эффективно обеспечивается применением на тепловоспринимающей поверхности черной краски.

Для целей отопления и кондиционирования воздуха в помещениях требуется более высокая температура панели - от 60 до 100 ^С. Эффективность плоского коллектора с черной тепловоспринимающей поверхностью при этом существенно снижается, а при неблагоприятных внешних условиях (низкой температуре окружающего воздуха, малой плотности потока солнечного излучения) такой коллектор вообще не может обеспечить требуемого температурного уровня. При температурах, превышающих 60 ^С, в тепловых потерях коллектора заметную долю составляет излучение с его тепловоспринимающей поверхности. Существенное снижение этой составляющей потерь и, следовательно, повышение эффективности коллектора обеспечивается применением на его тепловоспринимающей поверхности поглощающих покрытий, обладающих селективными оптическими свойствами - поглощатель-ной способностью относительно солнечного излучения > 0,9 и степенью черноты в области длин волн собственного теплового излучения £< 0,2.

В настоящее время разработаны самые разнообразные типы селективных покрытий и методы их получения. При выборе селективного покрытия необходимо учитывать, что оно должно не только обладать необходимыми оптическими характеристиками, но и сохранять их в условиях эксплуатации солнечного коллектора, т.е. покрытие должно быть свето-, температуре- и влагостойким. Необходимо также, чтобы технология получения покрытий обеспечивала хорошую воспроизводимость их оптических характеристик при массовом производстве, а метод нанесения позволял создание покрытий на поверхностях большой площади и произвольной формы. Наличие селективного покрытия не должно приводить к существенному удорожанию коллектора в целом.

Важной характеристикой селективного покрытия является отношение «С^ к £ . Наибольшее значение f > 20 - удается получить с помощью многослойных интерференционных покрытий, создаваемых путем нанесения тонких диэлектрических и металлических пленок в высоком вакууме на предварительно полированную поверхность коллектора. Преимуществом покрытий этого типа является возмож-нось точно контролировать толщину пленки в процессе нанесения с помоиу.ю фотометрического устройства, встроенного в вакуумную установку, и вследствие этого получение хорошо воспроизводимых от образца к образцу оптических свойств покрытия в целом. Интерферен-

ционные покрытия, однако, из-за малой толщины и пористости чувствительны к воздействиям окружающей среды и могут быть использованы наиболее эффективно в солнечных трубчатых вакуумированных коллекторах.

Дальнейшее усовершенствование интерференционных покрытий, создание пленок, стойких к коррозии, разработка технологии, обеспечивающей получение беспористых покрытий, а также введение осушающих веществ в воздушный зазор плоского коллектора позволяют получить покрытия, которые не изменяли бы свои оптические характеристики в условиях длительной эксплуатации. Увеличения стабильности покрытия удается добиться также в результате использования тонких чередующихся слоев, поры которых резко отличаются по величине, а расположением не перекрывают друг друга. Однако следует заметить, что интерференционные многослойные покрытия, создаваемые путем напыления в вакууме, являются дорогостояи^ими и создаются, как правило, на поверхностях небольшой площади.

Одним из самых подходящих технологических методов получения селективных покрытий в широких масштабах является электрохимическое осаждение металлов - процесс, широко применяющийся в промышленности для создания декоративных, защитных и других покрытий. Этим методом создаются известные покрытия "черный никель" и "черный хром", обладающие хорошими оптическими характеристиками. За последние годы в ряде стран освоено промышленное производство поглощающих селективных поверхностей для солнечных коллекторов методом электрохимического осаждения. Наиболее известны разработки фирм "Ханиуэлл", "Харшоу кемикл", "Дюпон" [1]. В нашей стране разработана промышленная технология нанесения селективного покрытия "черный хром" на стальные пластины [6]. Покрытия "черный хром" и "черный никель" обладают одинаково высокими оптическими характеристиками ( о 9- £ < 0,15). С технологической точки зрения "черный никель" является более перспективным, поскольку наносится при существенно более низких плотностях тока (один-два порядка); кроме того, никелевые электролиты обладают лучшей рассеивающей способностью, чем хромовые, что особенно существенно при массовом производстве полноразмерных поглощающих панелей.

Однако до последнего времени предпочтение отдавалось покрытию "черный хром", поскольку "черный никель", который обычно высаживается из серного электролита с добавлением солей цинка, в условиях эксплуатации солнечного коллектора резко деградирует, его оптические характеристики ухудшаются, что делает это покрытие непригодным для практического использования. Но если для получения покрытия "черный никель" использовать хлористый электролит, не содержа-

щий солей цикла, этот недостаток ликвидируется [5, 8]. Образцы с покрытием, полученным этим способом, успешно выдержали испытания во влажной камере при повышенных температурах (до 200 ос), сохранив свои оптические характеристики {табл. 3.1).

3.1. Оптические х^актеристики покрытия "черный никель (по данным [5,8])

Материал подложки

Медь Латунь

Нержавеющая сталь Низколегированная сталь Алюминий

Металлизированное стекло

0,94... 0,96 0,94... 0,95 0,93... 0,95 0,93... 0,95 0,93... 0,95 - 0,9... 0,92

0,1... 0,12 0,08 ... 0,1 0,12... 0,15 0,15 ...0,19 0,12... 0,14 0,11... 0,13

Наряду с применением селективных покрытий эффективность работы коллекторов можно повысить с помощью так называемых сотовых структур. Последние изготовляют из стекла или пластмассы и помещают в воздушном зазоре между поглощающей панелью и внутренним стеклом. Сотовые структуры состоят из ячеек, которые в плане имеют форму круга квадрата, прямоугольника или шестиугольника. В простейшем случае такая структура состоит из отрезков стеклянных труб. При высоте сот L около 50 мм и отношении высоты к эквивалентному внутреннему диаметру L/Di = 5... ю сотовые структуры эффективно снижают тепловые потери путем конвекции и излучения [20].

В работе [26] приведены результаты испытаний двух плоских коллекторов с одинарным остеклением и неселективной поглощающей панелью, различающихся лишь наличием сот в одном из коллекторов. Соты выполнены из стеклянных труб внутренним диаметром 10 мм, высотой 70 мм и толщиной стенки 0,25 ... 0,3 мм. Результаты опытов по определению мгновенного КПД при угле падения солнечных лучей на плоскость коллекторов 6 ... 28° описываются следующими уравнениями (соответственно для сотового и обычного коллекторов):

/1=0,805-4,74 йТ/<з; 1=в,^64-7,07дТ/д.

Существенное влияние на характеристики плоских коллекторов с сотовыми структурами оказывают теплопроводность стенок сот и пропускательная способность сот по отношению к солнечному излучению. Оба эти фактора определяются главным образом толщиной стенок сот.

В последние годы был выполнен ряд экспериментальных и расчетных исследований влияния толщины стенок, высоты, соотношения

3 J. Характертстики коляекторов с сотовой структурой (по данным [22])

2,1 1.2 1.0

1.1 3,7 6,2

Стекло "Пирекс"

SO

0,0124 0.0372 0,0618 0.0124 0,0372 0,0618 0.0124 0.0372 0.0618

33.1 42,1 42.5 30,7 41,6 47,7 29,9 40,6 40,7

0,991

0,915

0,973

1,01

1.01

1,04

0.943

0,9

0,843

0,52 0.11

5,0 5,0

50

Поликарбонат

0,0124 0,0372 0,0618 0,0124 0,0372 0,0618

39,5 44.4 53,5 47,4 58,9 61,2

1,15 1,08 1,12 1,22 1,29 1,31

Примечание.-Поглощающая панель обоих коллекторов (с сотами и без них) выполнена из зачерненного медного листа толщиной 0,3 мм с припаянными к нему медными трубками диаметром 12,7/11,1 мм. Расстояние между трубами - 105 мм; остекление коллектора — одинарное; боковые и тыльные стороны теплоизолированы слоем стекловаты толщиной 25 и 50 мм соответственно.

размеров Ь/о- и материала элементов сотовой структуры на эффективность работы коллекторов [22, 21, 27,11]. Результаты опытов по определению среднедневного КПД коллекторов с сотами ( /[ ^л) и без них ( Idf) [22] показали, что применение сотовой структуры дает эффект при толщине стенок сот 0,5 мм и менее. При ^= 0,11 мм КПД коллектора повышается на 31 %. Что касается материала сот, то коэффициент поглощения солнечного излучения у поликарбоната в 6 раз больше, а его теплопроводность в 4 раза меньше, чем у стекла марки "Пирекс", Это приводит к тому, что потери энергии вследствие поглощения солнечного излучения стенками сот из поликарбоната будут больше, а потери теплопроводностью меньше, чем у сотовой структуры из стекла.

На рис. 3.3, заимствованном из работы [22], приведены результаты расчетов среднедневного КПД солнечных коллекторов различного типа. Из рисунка видно, что у- коллекторов с сотовой структурой КПД меньше, чем у вакуумированного коллектора с селективной поглощающей поверхностью, но больше, чем у коллекторов всех других типов.

Авторы работы [7] предложили заполнять пространство между поглощающей поверхностью и прозрачным покрытием инертным газом с целью снижения конвективных потерь тепла в окружающую среду. Расчеты показали, что наибольшее приращение КПД имеет место при заполнении коллектора ксеноном. Однако для практического исполь-

Рис 3 J. Сравнение КПД солнечных коллосюров различного типа

а - селективная поглощающая поверхность { d s = 0,96, £ = 0,16) и вакуум; 8 - сотовая структура из стекла ( ^ = 0,1 мм, L/Di = 5, i = 50 мм); с — сотовая структура из поликарбоната {о =0,1 мм, L/Di = 5, i = 50 мм); d -селективная поглощающая поверхность; е — вакуум; / — плоский коллектор

7ct, %

зования следует рекомендовать аргон, поскольку его стоимость значительно ниже стоимости других инертных газов. При средней рабочей температуре поглощающей панели 60 "С и одинарном остеклении заполнение коллектора аргоном позволяет повысить КПД на 4 ... 8 %, что дает возможность уменьшить необходимую площадь коллектора в среднем на 12 %. При стоимости коллектора 50 руб/м^ экономия удельных затрат составит около 6 руб/м^. Однако в связи с трудностями длительного сохранения инертного газа в объеме коллектора этот способ не нашел практического применения.

Анализ отечественного и мирового технического уровня плоских солнечных коллекторов. Системы и установки солнечного теплоснабжения, главным образом горячего водоснабжения, находят в СССР определенное применение. С 1984 г. освоено серийное производство плоских солнечных коллекторов на Братском заводе отопительного оборудования (БЗОО). Помимо этого солнечные коллекторы производит ППОСпецгелиотепломонтажТрузглавмонтажспецстроя и в небольших количествах - некоторые другие предприятия и организации. Всего к началу 1988 г. в стране было изготовлено около 80 тыс. м^ солнечных коллекторов.

На некоторых предприятиях с 1987 г. осуществляется производство солнечных водонагревателей для продажи населению через розничную торговую сеть в качестве товаров народного потребления. В 1988 г. на Бакинском заводе по обработке цветных металлов и сплавов Минцветмета СССР начат выпуск солнечных коллекторов на основе проектно-сварных панелей из алюминиевых сплавов.

Таким образом, существует тенденция увеличения производства солнечных коллекторов в СССР и соответственно будет возрастать объем использования солнечной энергии для целей теплоснабжения.

За рубежом заметное практическое применение получили индивидуальные (для одной семьи) установки для нагрева воды на бытовые Нужды. Наибольший вклад солнечной энергии в топливно-энергетический баланс достигнут в странах Средиземноморья. На Кипре, например.