Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)

• Название: Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
• Дата: 20.06.2022
• Размер: 6.34 Mb.
• Имя файла: Возобн. источн. энерг. Тексты лекций.doc
• Тип: Курс лекций; #606643
• страница: 4 из 24

2.2.3. Селективные поверхности

Идеальная поверхность солнечного приемника должна по возможности поглощать всю энергию и иметь минимальные потери излучения. Однако согласно закона Кирхгофа коэффициент излучения любого тела числено равен его коэффициенту поглощения при той же длине волны. Например, простая черная поверхность имеет для всех длин волн. Следовательно, черная поверхность будет иметь значительные потери излучения энергии.

Максимум энергии солнечного излучения соответствует длине волны 0,5 мкм, а максимум энергии излучаемой приемником соответствует длине волны 10 мкм. Идеальная поверхность солнечного приемника должна иметь максимальный коэффициент поглощения при мкм и минимальный коэффициент излучения при мкм. Поверхность имеющая такую характеристику называется идельной селективной поверхностью (рис. 2.7).

Некоторые полупроводники (кремний, оксид меди) хорошо поглощают коротковолновое излучение и практически не излучают длинноволновое излучение, т.е. они близки по характеристикам к идеальной поверхности солнечного приемника (рис. 2.6). Однако полупроводники имеют ряд недостатков: низкая механическая прочность, низкая теплопроводность, высокая стоимость.


Рис. 2.7. Характеристики излучательной
и поглощательной способности материалов
Металлы не имеют этих недостатков, однако они (например, медь) хорошо отражают, т.е. слабо поглощают излучение при мкм (рис. 2.7).

Если слой металла покрыть тонким слоем полупроводника, то их характеристики можно скомбинировать и получить качественную селективную поверхность.

Толщина слоя полупроводника определяется следующими взаимоисключающими факторами:

1. 
   достижение эффективной теплопередачи, так как теплопроводность полупроводников низка, а также экономическими соображениями;
   
2. 
   достижение максимальной поглощающейся способности поверхности.
   

Исходя соображений толщину слоя полупроводника для промышленных селективных поверхностей принимают 1–3 мкм. При толщине 1 мкм слоем полупроводника поглощается около 63% коротковолнового излучения, а при толщине 3 мкм – около 95% коротковолнового излучения. Промышленная селективная поверхность обычно имеет при температуре 20С следующие параметры: при мкм и при мкм.

Однако при повышении температуры коэффициент поглощения значительно увеличивается и при температурах более 150С отношение достигает значений боле 30.

Применение селективных покрытий может повысить КПД гелиоколлектора на 20%. Однако из-за своих свойств и дороговизны селективные поверхности нецелесообразно применять в плоских солнечных коллекторах при температурах ниже 60С, но они могут найти широкое применение в концентраторах солнечной энергии, где температура может быть более 300С.
2.2.4. Конструкции поглощающих панелей

Поглощающая панель должна обладать следующими основными свойствами: коррозийной стойкостью по отношению к теплоносителю; хорошей теплопередачей, небольшой массой, технологичностью (с целью снижения затрат на изготовление).

Исходя из этого поглощающие панели выполняют из металла (алюминия, стали) и полимеров.

Типичные конструкции поглощающих панелей коллекторов из металла являются следующими:

• 
  стандартная стальная панель (рис. 2.8, а);
  
• 
  панель, из гофрированного и плоского оцинкованных листов (рис. 2.8, б);
  
• 
  прокатно-сварная алюминиевая панель (рис. 2.8, в).
  

• 
  листотрубная полимерная поглощающая панель (рис. 2.9, ж, з, и).
  

а б в

Рис. 2.8. Конструкции поглощающих панелей коллекторов из металла
(поперечное сечение)
Панель, состоящую из двух оцинкованных листов – гофрированного и плоского, широко используют во всем мире.

Имеются следующие конструктивные схемы полимерных поглощающих панелей:

• 
  из двух параллельных пластин, между которыми течет теплоноситель, (рис. 2.9, а, в, д);
  
• 
  из двух параллельных пластин, соединенных ребрами, образующими каналы для теплоносителя (рис. 2.9, б, г, е);
  

Принципиально возможны следующие схемы поглощения солнечного излучения:

• 
  верхняя пластина является поглощающей (рис. 2.9, а, б)
  
• 
  между двух параллельных пластин течет прозрачный теплоноситель, нижняя пластина – поглощающая (рис. 2.9, в, г);
  
• 
  между двух прозрачных параллельных пластин протекает черный поглощающий теплоноситель (рис. 2.9, д, е);
  

Рис. 2.9. Поперечное сечение конструкций полимерных поглощающих панелей
Наиболее распространенной является панель из черного материала состоящая из двух параллельных пластин соединенных ребрами. Предпочтение именно этой конструкции объясняется технологичностью ее изготовления и удобством монтажа.

Достоинство полимерных панелей – малый вес и низкая стоимость. Недостатки – недолговечность, низкая теплопроводность, что влияет на размеры поглощающей панели.

При использовании полимерных материалов для изготовления солнечного коллектора одной из основных проблем является их работоспособность в течение длительного времени, так как их свойства ухудшаются. На полимерный материал оказывают вредное воздействие такие факторы окружающей среды, как температура, влаж­ность воздуха, радиация, соли, кислород, агрессивные газо­образные приме­си, содержащиеся в воздухе (SO₂, NO₂, и др.), механические нагрузки от ветра, удары водных капель, града, а так же песок и пыль. Повысить атмосферостойкость полимерных поглощающих панелей может прозрачное покрытие.

Для обеспечения высокой теплопередачи поглощающие панели должны иметь высокую теплоотдачу  и теплопроводность :

,

где  – коэффициент теплоотдачи от панели к теплоносителю,  – толщина панели,  – коэффициент теплопроводности панели.

Полимерные поглощающие панели выполняют из материалов, полностью смачиваемых теплоносителем. Это обеспечивает максимальный контакт поглощающей поверхности с рабочей и, следовательно, высокую теплоотдачу от панелей к нагреваемой жидкости.

При устройстве солнечного коллектора из полимерных материалов необходимо обратить внимание на коэффициенты теплопроводности полимеров (при рабочих температурах 19–90С теплопроводность составляет 0,2–0,6 Вт/(мК)). При наполнении полипропилена сажей и графитом (до 30% состава) его теплопроводность повышается и составляет в указанном интервале температур 1,9 – 2,1 Вт/(мК), однако это на порядок ниже, чем у металлических поглощающих панелей – 50 – 390 Вт/(мК)

Низкая теплопроводность полимерных материалов отражается на размерах поглощающей панели. Установлено, что листотрубная конструкция из полимерных материалов работоспособна и эффективна при иных, чем у металлических панелей, межцентровом расстоянии и толщине ребра. Так, при диаметре трубы 10 мм,  = 0,5 – 2 Вт/(мК) и толщине  = 1 мм оптимальная ширина листа находится в интервале 10 – 25 мм, тогда как для металлической поглощающей панели при том же диаметре трубы и толщине листа, а так же  = 50 – 390 Вт/(мК), ширина листа составляет 60 – 90 мм.

Несмотря на свой малый вес и цену пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности и небольшой механической прочности не находят широкого применения. Они используются в основном для нагрева воды в плавательных бассейнах или подогрева поливочной воды, где требуется небольшое (до 10С) повышение температуры.
2.2.5. Концентрирующие гелиоколлектора

Многие возможные приложения требуют более высоких температур, чем те, которые можно получить даже с помощью лучших плоских нагревателей. Для решения этих задач используются концентрирующие коллекторы.

Концентрирующий гелиоколлектор включает в себя концентратор, который представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую его на приемник, поглощающий излучение.

Чаще всего концентратор представляет собой параболические вогнутые (параболоцилиндры) (рис 2.10, а) или параболические объемные (параболоид вращения) (рис. 2.10, б) зеркала, выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают приемник излучения (солнечный котел). Экран над приемником уменьшает тепловые потери от него. В качестве концентраторов солнечной энергии могут также использоваться оптические линзы. В отличие от зеркал, концентрирующих отраженное излучение, линзы концентрируют проходящее через низ излучение (рис. 2.10, в).


а б в

Рис. 2.10. Концентрирующие гелиоприемники
В отличие от плоских нагревателей, концентраторы в основном поглощают прямое солнечное излучение. Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.

Для параболического концентратора, энергия поглощения приемной трубкой, равна

,

где  – коэффициент отражения концентратора,  – коэффициент поглощения приемника, – площадь проекции концентратора,
Е – средняя плотность излучения (рис. 2.11).

При этом приемник излучает тепло, которое можно определить по формуле:

,

где Т – температура приемника, r – радиус трубки,  – коэффициент излучения поверхности трубки,  – постоянная Стефана-Больцмана.

Радиус трубки выбирают, таким чтоб обеспечить минимальную площадь теплового излучения, достаточную площадь поглощения излучения:

,

где – угол схождения солнечных лучей.



а б

Рис. 2.11. Параболический коцентратор (а)
и концентратор с вакуумной трубкой (б):
1– теплоприемник, 2 – концентратор,
3 – селективное покрытие, 4 – вакуумная трубка
Используя эти уравнения, получим выражение для определения максимальной температуры приемника при :

,

где  – часовой угол.

При Е₀ = 600 Вт/м² температура приемника Т = 1160 К. Данная температура возможно при неподвижном теплоносителе в приемнике. В действительности температура теплоносителя в приемнике концентратора достигает около 700 К.

Для сферического концентратора (параболлоида вращения)



При Е₀ = 600 Вт/м² температура приемника Т = 3000 К.

В концентрирующих коллекторах может быть целесообразно применение таких энергоэффективных методов, как вакуумирование и селективное покрытие. Например, эти методы использованы в концентраторе с вакуумной трубкой (рис. 2.11, б).

Альтернативный вариант концентраторам являются солнечные башни, когда множество следящих за солнцем плоских зеркал отражают лучи на находящийся в центре приемник в виде башни. На солнечной башенной электростанции мощностью 5 МВт расположенной в Крымской области с помощью 1600 гелиостатов площадью 25 м² получают теплоноситель давлением 4 МПа и температурой 250С.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоколлекторами является способность получения теплоносителя с относительно высокой температурой (до 100С) и даже пара. К недостаткам следует отнести работу только в светлое время суток с прямым излучением, а, следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; высокую стоимость конструкции, обусловленную наличием привода системы слежения за ходом Солнца. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками.

В настоящее время для Республики Беларусь эффективнее для солнечных систем отопления применять плоские гелиоколлектора.
2.2.6. Теплоносители активных гелиосистем

и способы их циркуляции

Активные гелиосистемы по виду используемого теплоносителя делятся на жидкостные (вода, антифриз) и воздушные.

Достоинства воздушных гелиосистем:

1. 
   воздух является незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем.
   
2. 
   возможно совмещение воздушных систем отопления с системой вентиляции.
   
3. 
   воздух (в отличие от воды) не вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов.
   
4. 
   утечка воды из системы может причинить больший ущерб, чем утечка воздуха.
   

Недостатки:

1. 
   коллектор и аккумулятор воздушной системы требуют частой очистки от оседающей пыли, если не установлены фильтры.
   
2. 
   воздух – малотеплоемкий (с_р = 1,0 кДж/кг) теплоноситель (теплоемкость воды с_р = 4,187 кДж/кг), что ведет к увеличению расхода теплоносителя,
   
3. 
    воздух имеет низкий коэффициент теплоотдачи, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.
   

Из-за последнего недостатка водяные солнечные системы нашли более широкое применение, чем воздушные.

Циркуляция теплоносителя может осуществляться естественно (естественной конвекцией) или принудительно (насосом).

При естественной циркуляции нагреватель должен находиться ниже накопителя нагретой воды (рис. 2.12), т.к. циркуляция осуществляется вследствие различия плотностей холодной (плотной) и горячей (менее плотной воды).



Рис. 2.12. Одноконтурная гелиосистема
с естественной циркуляцией:

1 – гелиоприемник, 2 – тепловой аккумулятор
Перепад давления между столбом горячей и охлажденной воды можно определить по формуле:

,

где – изменение плотности при изменении геометрической высоты .

Зависимость изменения плотности от изменения температуры имеет следующий вид:

,

где  – коэффициент температурного расширения жидкости, который для воды при температурах от 0 до 100С практически постоянен и равен 3,510^-4 1/К.

Тогда перепад давления можно определить по формуле

.

При условии, что температура в трубопроводах постоянна и равна, соответственно, t_г и t_в имеем

,

где , – верхняя и нижняя геодезическая точка резервуара, соответственно; , – верхняя и нижняя геодезическая точка приемника, соответственно.

Системы с принудительной циркуляцией выгодны, поскольку для их создания можно использовать существующие водонагревательные системы, вводя в них приемник солнечного излучения и насос. Кроме того, в них нет необходимости располагать накопительную емкость выше приемника. Недостатком их является зависимость от электроэнергии, потребляемой насосом.

Мощность, потребляемая насосом при принудительной циркуляции, можно определить по формуле:

,

где G– массовый расход теплоносителя, – потеря давления в контуре на трение при прокачке теплоносителя,  – средняя плотность теплоносителя.

Для того чтобы теплоноситель в гелиоколлекторе успевал нагреваться до необходимой температуры (примерно на 4⁰С), скорость прокачки обеспечивают небольшую (режим ламинарный). Тогда потеря давления в системе определяется по формуле Пуазеля

,

где l и d – соответственно длина и диаметр канала;  – кинематическая вязкость.