I

Таблица 3. Коэффициент эффективности оребреиня F абсорбера плоского жидкостного коллектора (толщина листа 1 мм, диаметр труб 25 мм)

лико) и уменьшении шага трубок. Уменьшение диаметра трубок с 25 до 12 мм влечет за собой снижение коэффициента эффективности па 0,03—0,05, но прн этом уменьшается общая теплоемкость коллектора н его тепловая инерция, а следовательно, быстрее происходит- его прогрев. Зазор между лучевоспринимающей поверхностью и остеклением и мелсду внутренним и наружным слоями двухрядного остекления обычно выбирают в пределах 15—25 мм. Толщина тепловой изоляции нижней поверхности абсорбера принимается равной 50— t5 мм, а боковых поверхностей — 25 мм.

При возрастании интенсивности инсоляции, с 300 до 1000 Вт/м^ КПД коллектора увеличивается с 32 до 59 %, а при увеличении температуры наружного воздуха с 10 до ЗО^С КПД возрастает с 41 до 55 %.

Очевидно, что в холодный период года КПД обычного плоского КСЭ весьма низок.

Большое влияние на КПД КСЭ оказывает температура теплоносителя на входе в колектор: чем она ниже, тем ниже тепловые потери КСЭ и выше его КПД. При увеличении расхода теплоносителя КПД КСЭ возрастает до определенного предела, а затем остается постоянным, так что существует оптимальный диапазон значений расхода теплоносителя. КПД КСЭ сильно увеличивается прп применении абсорбера с селективным покрытием, характеризуемым большим отношением поглощп-тельной ссс и излучательной ет способностей. При однослойном остеклении изменение степени ceлeктивнoGtil абсорбера Кс/вт с 1 до 12 приводит к увеличению КПД КСЭ с 45 до 60%.

При испытании коллекторов получают зависимость КПД коллектора tik от отношения у разности температур теплоносителя на входе в КСЭ и наружного воздуха АТ" к плотности потока солнечной энергии /к на поверхность КСЭ. Типичные характеристики плоских и вакуумированного коллекторов и области их применения показаны

на рис 13. Как видим, характеристика КСЭ изображается прямой линией. Точка ее пересечения с вертикальной осью соответствует эффективному оптическому КПД пэ при угле падения солнечных лучей 0°, а тангенс угла наклона прямой к горизонтальной оси — эффективному коэффициенту теплопотерь КСЭ Кв-

Рис. 13. Характеристика коллекторов солнечной энергии:

; — коллектор без остекления; 2 — коллектор с однослойным остеклением; 3 — коллектор о двухслойным остеклением; 4 — селективный плоский коллектор о однослойным остеклением; 5 — стеклянный трубчатый вакуумированный коллектор

Характеристика солнечного коллектора описывается следующей формулой: г1к=По—^ку. При этом оптический КПД По и коэффициент теплопотерь Кк для коллекторов, характеристики которых представлены на рис. 13, равны:

■и

Неселективный плоский коллектор без остекленияО

То же с однослойным остеклением "^^"«Я"-95 15

То же с двухслойным остеклением -п 7Ч i

^Гт=?м"^""" однослойнымУ Вакуумированный стеклянный трубчатый коллек-

°Р ■ • .........0.75

Вт/(м>.С)7

> • « • 4 1 . ,

3,5 2

Оптический КПД определяется произведением коэффициента пропускания солнечного излучения прозрачной изоляцией X (для 1—3-слонного остекления т = 0,6-^0,95) и коэффициента его поглощения абсорбером а (а = = 0,85н-0,98) и не зависит от /к н разности температур AT коллектора Тк и наружного воздуха Тв. Тепловые потери снижают полезную энергию коллектора и возраста-. ют с увеличением разности температур Д7. Диапазон типичных значений коэффициента теплопотерь /Ск= = 1,2-^10 Вт/(м5-°С).

Из рис. 13 видно, что при г/==ДГ//к<0,013 м^-Т/Вт плоский коллектор без остекления имеет наибольший КПД, в диапазоне значений у до 0,045 м^°С/Вт коллектор с однослойным остеклением более эффективен, чем коллектор с двумя слоями стекла, прн г/>0,025 м^-^С/Вт самым эффективным является вакуумированный коллектор. Для плавательных бассейнов, работающих летом при высоких значениях температуры воздуха Тв и интенсивности солнечного излучения в плоскости коллектора /к, у мало из-за малой разности температур ^T, и наиболее целесообразно использовать дешевые плоские коллекторы без остекления (в частности, пластмассовые). Область/! (г/<0,03 м2-°С/Вт) соответствует применению солнечных коллекторов для обогрева плавательных бассейнов, Б (у=0,03-^0,08 м^-°С/Вт) — для горячего водоснабжения и В (у>0,08 м2.°С/Вт) — для отопления.

Для горячсЕо водоснабжения требуется разность температур ЛГ=20-Ь50°С, и чтобы при средней и невысокой интенсивности солнечного излучения, скажем, 300— 500 Вт/м^, давать полезную энергию, требуются неселективные коллекторы с одним-двумя слоями остекления или селективный коллектор с однослойным остеклением. Применение двух слоев остекления снижает тепловые потери, но одновременно увеличивает оптические потери. Для отопления зданий требуется большая разность

температур ДТ", которую могут обеспечить только высокоэффективные коллекторы, например вакуумированные или плоские с селективным абсорбером.

Объем промышленного производства солнечного оборудования в СССР явно не отвечает современным требованиям. В частности, солнечные коллекторы выпуска-{отся на Братском заводе отопительного оборудования. Там производится плоский коллектор для нагрева жидкости, представляющий собой плоскую лучепоглощаю-щую стальную панель с каналами для воды, помещенную в корпус с однослойным остеклением и тепловой изоляцией тыльной стороны абсорбера (рис. 14,а). Габариты выпускаемого модуля КСЭ 1530x630x98 мм, пло-ш,адь лучепоглощающей поверхности абсорбера 0,8 м*. масса 50,5 кг (в стальном корпусе), стоимость 37 руб. Другими организациями — ПО «Спецгелиотепломонтаж» в г. Тбилиси, опытными производствами институтов КиевЗНИИЭП и ФТИ АН УзССР в г. Ташкенте — в небольших количествах выпускаются КСЭ аналогичного типа (рис. 14, б и е) с использованием стальных панельных радиаторов типов РГС или ЗС, имеющих площадь лучепоглощающей поверхности 0,62—0,72 м^ массу от 32 до 36 кг (в алюминиевом корпусе) и стоимость 46—50 руб. за модуль. Абсорбер покрыт черной краской марок ПФ, НЦ, КО, ХВ или ВТ с добавлением сажи. Коллектор имеет одно- или двухслойное остекление и тепловую изоляцию. Коэффициент теплопотерь при однослойном остеклении — около 10 Вт/(м^-°С). Объем производства КСЭ на Братском заводе 100 тыс. м^ КСЭ в год. Планируется довести производство до 1 млн. м^ в год и улучшить оптико-теплотехнические характеристики КСЭ, снизив коэффициент теплопотерь до 2,3 Вт/(м2-°С).

За рубежом во многих странах организовано массовое промышленное производство коллекторов солнечной энергии. Первое место в мире по количеству установленных КСЭ занимают СШ.4, где общая площадь коллекторов составляет (по данным 1988 г.) 10 млн. м*, второе место—Япония (8 млн. м^ КСЭ), далее следуют: Израиль — 1,75 млн. м2, Австралия — 1,2 млн. м^ На одного жителя приходится в Израиле 0,45, в Австралии — 0,08, в США, Греции и Швейцарии — 0.05 м^ площади КСЭ.

Повышение тепловой эффективности солнечных коллекторов может быть достигнуто путем применения: концентраторов солнечного излучения; селективно-поглоща-

1 5 ■^-Л" -^-—

630

а)

2 1 / 5

4/ //

5)

1145

Рис. 14, Жидкостные солнечные коллекторы Братского заиода отопительного оборудования (а), КиевЗНИИЭП, ПО «Спецгелиотепломонтаж» (6) а ФТИ АН УзССР (в):

i — остекление; 2 —уплотнение герметикой; 3 — лучепоглощающая панель] 4 — теплоизоляция; 5 —корпус

ющего покрытия абсорбера; вакуумирования пространст^ ва внутри коллектора; нескольких слоев прозрачной изоляции; сотовой ячеистой структуры в пространстве между абсорбером и остеклением и антиотражательных покрытий на остеклении.

В результате применения указанных методов снижаются тепловые потери коллектора й повышается его КПД.

Селективные поверхности для КСЭ. Наиболее эффективный способ повышения КПД плоских коллекторов солнечной энергии связан с применением селективно-поглощающих покрытий. Второй способ состоит в изменении оптических свойств прозрачной изоляции с целью увеличения ее отражательной способности рт по отношению к теплово.му излучению абсорбера и пропускательной способности Тс для солнечного излучения.

Селективные покрытия для лучепоглощающей поверхности солнечного коллектора должны обладать высоким коэффициентом поглощения ас коротковолнового солнечного излучения (короче 2 мкм), низкой излучательной способностью 8т В инфрзкрасной области (длиннее 2 мкм), стабильной величиной степени селективности ас/бт, способностью выдерживать кратковременный перегрев поверхности, хорош^ей коррозионной стойкостью, быть совместимыми с материалом основы и иметь низкую стоимость. Для идеальной селективно-поглоща-щающей поверхности ас=1 и ет=0, а для идеальной

прозрачной изоляции Тс=1 и рт=1.

Увеличение ас влияет на эффективность КСЭ в большей степени, чем аналогичное уменьшение 8т. Однако получить высокое значение ас нелегко. Для черной краски ас не превышает 0,95, такое же значение имеет и 8т. Селективные покрытия, как правило, представляют собой тонкопленочные фильтры, и при увеличении ас за счет утолщения пленок одновременно возрастает 8т. Самый распространенный тип селективных покрытий — это тонкие пленки на металлической основе, поглощающие види.мын свет и пропускающие инфракрасное излучение (ИК). Сюда, в частности, относятся покрытия из черного никеля и черного хрома, наносимые электрохимическим способом на подложку из никеля, цинка, олова или меди. Применяются и другие способы нанесения покрытий этого типа. Селективные краски получают из прозрачных в ИК-области полупроводников в виде мелкого порошка с большой порозностью для снижения эффективного коэффициента отражения поверхности.

Покрытие черным хро.мом наиболее перспективно для получения требуемых оптических свойств и высокой термической стабильности при температурах до 400 °С (в вакууме). Но плотность электрического тока при на-иесенни черного хрома почти в 100 раз выше, чем для черного никеля, отсюда и высокая стоимость селектив-