Энергия

ПЛОСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ

Основным компонентом солнечной энергетической системы является солнечный коллектор, который преобразует лучистую энергию солнца в полезную тепловую энергию и отдает это теп­ло теплоносителю. Теплоноситель переносит тепло в здание или в аккумулятор для дальнейшего использования. Его также мож­но использовать в цикле охлаждения (кондиционирования воз­духа) или для нагрева воды для хозяйственных нужд.

Выше уже рассматривались многочисленные примеры весь­ма простых и в то же время эффективных коллекторов. Среди пассивных систем такими устройствами являются окна и соче­тание коллектор-аккумулятор в вертикальных степах. Системы активного использования солнечной энергии отличаются /гем, что функции солнечного отопления или охлаждения осуществ­ляются с помощью разных средств. «Водные бассейны» на кры­шах Гарольда Хэя выполняют одновременно функции поглоще­ния, хранения и переноса тепла в помещение, нуждающееся в обогреве. Однако в традиционном смысле солнечный коллек­тор представляет собой специальное устройство, которое при­дается зданию Большинство коллекторов, используемых для

отопления її охлаждения зданий, являются «плоскими» коллек­торами. Эти коллекторы могут быть жидкостного или воздуш­ного типа в зависимости от вида циркулирующего через них теп­лоносителя.

Жидкостные плоские коллекторы для систем отопления. Ос­новным элементом коллектора является поглощающая пластина (теплопрнемник), которая задерживает солнечный свет, преоб­разует его в тепло н передает его теплоносителю. Поверхность теплоприемника обычно окрашена в черный цвет. Для умень­шения потери тепла с поверхности пластины над ней устанавли­вается прозрачное покрытие, например пропускающее солнеч­ный свет стекло. Потери тепла с тыльной стороны теплоприем­ника уменьшают при помощи тепловой изоляции. Все эти эле­менты обычно помещаются в контейнеры (деревянные или ме­таллические) для отгрузки, легкости установки или защиты от влаги. На рис. 5.2 показан типичный коллектор, содержащий все упомянутые элементы.

Теплоприемные пластины. Обычно поглотители для жидкостных систем изготовляются из меди, алюминия или стали. При выборе материала для теплоприемника следует учитывать следующие факторы: наличие; энергию и ресурсы, необходимые для производства; теплопроводность (и другие тепловые харак­теристики); долговечность, легкость в обращении; стоимость.

Наличие. Медь всегда имеется в наличии, но ее запасы на Земле сокращаются, а цены продолжают расти. Алюминий и сталь сравнительно доступнее, но даже запасы алюминия по­степенно истощаются. Стальные теплоприемники выпускаются • в меньшем количестве, чем алюминиевые, особенно коррозион­ностойкие.

Энергия и ресурсы, Необходимые для производства. Посколь­ку наши энергетические запасы сокращаются и экономия энер­гии становится все более жизненно важной для общества, вы­бор металла также производится с учетом количества энергии, необходимого для его производства. Для производства алюми­ния, например, требуется значительно больше энергии на едини­цу веса, чем для стали.

Рис. 5 2 Прототип плоского солнеч­ного коллектора

/ — прозрачное покрытие; 2— пластина, поглощающая солнечную радиацию, 3 — отражающая поверхность; 4 — изоляция; 5 — ящик

На Земле просто не хватит меди, чтобы обеспечить каждое здание полностью медным солнечным коллектором, даже если срок службы такого теплоприемника будет 50 лет, и медь затем пойдет в переработку. То же ограничение может оказаться спра­ведливым и для алюминия. По сути дела, все металлы могут применяться только после тщательного рассмотрения возмож­ных альтернатив Системы, не требующие металлических тепло - присмпиков, должны применяться, Iдс только возможно.

Теплопроводность. Металлический теплоприемник можно нс применять, если теплоноситель непосредственно соприкасается с любой поверхностью, па которую падает солнечный свет. Од­нако почти во всех применяемых сейчас жидкостных системах жидкость протекает по каналам, обычно по трубам, прикреплен­ным к поглощающей пластине. Тепло должно передаваться к трубам от тех участков пластины, которые не соприкасаются с теплоносителем. Если теплопроводность пластины недостаточ­но высока, то тепло уйдет из коллектора прежде, чем оно будет подведено к трубам. Пластина из металлов с высокой теплопро­водностью, например из меди, может быть тоньше, а трубы на ней могут располагаться с большими промежутками. Наиболее теплопроводным металлом является медь, за ней следует алю­миний. Чтобы получить аналогичные результаты при всех про­чих равных условиях, алюминиевый лист должен быть вдвое, а стальной лист — в девять раз толще медного.

Долговечность металлов ограничена действием коррозии. Медь противостоит коррозии лучше, чем алюминий и сталь, но при определенных условиях вода и антифриз могут вызвать коррозию всех этих металлов. Высокие рабочие температуры солнечных коллекторов также ускоряют коррозию. Тем не менее существуют методы уменьшения влияния коррозии. Например, если теплоприемник осушается для предупреждения замерзания, то доступ воздуха в систему повышает потенциальную возмож­ность коррозии. Таким образом, необходимо закрыть путь в си­стему кислороду воздуха, вызывающему коррозию. (Проводятся исследования с такими газами, как азот, в качестве альтернати­вы воздуху в самосливных системах.)

Особые меры необходимо принимать для предупреждения коррозии алюминия; вода из плавательных бассейнов может вызвать протечку алюминиевых теплоприемников уже через не­сколько месяцев после монтажа. Сталь должна быть либо оцинкованной, либо нержавеющей. Коррозию также можно уменьшить путем добавления в воду или антифриз так называе­мых ингибиторов, некоторые из них содержат соли хромо­вой кислоты. Рекомендуется применение мягкой воды с низким содержанием минеральных веществ и металлов. Внутренние по­верхности алюминиевых труб или других каналов для жидко­сти можно обрабатывать при помощи процесса гальванического цинкования, который довольно дорог и не везде возможен в на­стоящее время.

Показатель концентрации водородных ионов в системе яв­ляется наиболее критическим аспектом коррозии. Для алюми­ния раствор должен быть приблизительно нейтральным с пока­зателем pH около 6 или 7. Любое отклонение в меньшую (кис­лотное) или в большую (щелочное) сторону значительно уве­личивает коррозию. Для исключения отклонений уровень pH должен тщательно регулироваться.

Исследуются и другие методы, например, циркуляция инги­биторов коррозии в системе в течение нескольких дней до вве­дения ингибированной, жидкости, однако их ориентировочная стоимость (несколько сот долларов за систему емкостью около 15 м3) очень высока.

Все упомянутые виды обработки лишь снижают область кор­розии, они не дают никакой гарантии успеха. Пока не решена проблема борьбы с коррозией металлов, существует очень мало заменителей меди для жидкостных теплоприемников. В какой- то мере исключениями здесь являются стекло и волнистый алю­миниевый или стальной лист с открытой поверхностью, разра­ботанный д-ром Гарри Томасоном. Неметаллические теплопри­емники, например из стекла и пластмассы, не подвержены кор­розии, но имеют более короткий срок службы.

Нижеследующая рекомендация по защите от коррозии была опубликована фирмой «Олин Брасс компани» и перепечаты­вается с ее разрешения.

Защита от коррозии алюминиевых пластин типа «Ролл - Бонд» в коллекторах солнечной энергии. Необходимы специаль­ные меры для максимального увеличения коррозионной стойко­сти поглощающих пластин солнечных коллекторов, которые ра­ботают с теплоносителем на основе воды, циркулирующей по каналам теплоприемника, изготовленного методом «Ролл-Бонд». Нижеприводимые рекомендации и обсуждение предлагаются вниманию пользователя, который разрабатывает свои собствен­ные конструкции и устанавливает собственные рабочие характе­ристики системы поглощения солнечной энергии.

Мы предполагаем, что типичные системы коллекторов будут «многометальными» системами, т. е системами, в которых теп­лоноситель на основе воды циркулирует нс только через алюми­ниевые элементы, но и по каналам из других металлов.

У нас нет специального опыта эксплуатации солнечных кол­лекторов в многометальных системах. Однако их можно срав­нить с автомобильными системами охлаждения, особенно с теми, в которых применяется алюминиевый радиатор, как в автомоби­ле «Корвет», и с теми, в которых применяется алюминиевый ци­линдровый блок, как в автомобиле «Вега». Эти системы дейст­вительно работают успешно и имеют удовлетворительные анти­коррозийные характеристики. Эти системы являются многоме­тальными потому, что теплоноситель (смесь воды и антифриза) циркулирует не только через алюминий (алюминиевый радиатор или алюминиевый блок цилиндров), но и через стальные, мед­ные и латунные элементы, вступая в контакт с мягким припоем, который применяется при соединении медных и латунных эле­ментов. Этот тип многометальной системы вполне сравним с си­стемой, которую мы считаем типичной в цепи, в которую входит солнечный коллектор. Хладагентом в автомобильной системе этого типа является смесь воды и этиленгликоля, в свою очередь этиленгликоль содержит различные ингибиторы и буферы, кото­рые делают смесь сравнимой с многометалыюй системой охлаж­дения. В случае автомобилей фирмы «Дженерал моторе», на­сколько мы знаем, хладагент выпускается по их техническим условиям GM-1899-М «Концентрат антифриза — тип этиленгли­коль».

Нам известно, что этиленгликоль разлагается в процессе эксплуатации машины и среди продуктов распада имеются ор­ганические кислоты. Поскольку значительное уменьшение пока­зателя pH, которое может сопровождать образование органиче­ских кислот, делает смесь более коррозийной, то нам представ­ляется, что одной из функций буферных веществ в типичных растворах автомобильного антифриза является поддержание показателя pH на желательно большем уровне. В случае исто­щения буферов показатель pH уменьшается. Ответ на потенци­альную проблему в случае автомобильных систем охлаждения заключается в обычной рекомендации изготовителя периодиче­ски заменять охлаждающую смесь. В большинстве случаев это рекомендуется делать раз в год.

Не имея продолжительного опыта работы с системами сол­нечных коллекторов, мы не можем сказать, требуется ли заме­нять смесь воды и этиленгликоля чаще или реже, чем это необ­ходимо в автомобильной системе охлаждения. Мы знаем, что рабочие температуры, которые, по-видимому, одинаковы для большинства солнечных коллекторов, несколько ниже рабочих температур в системе охлаждения автомобиля. С другой сторо­ны, мы также отметили, что общий период эксплуатации солнеч­ного коллектора в течение календарного года несомненно боль­ше, чем обычный период эксплуатации системы охлаждения ав­томобиля. Отсюда следует, что пока изготовитель и пользовате­ли систем не накопят достаточный опыт с определенной систе­мой, чтобы предсказывать срок службы теплоносителя, необхо­димо предусматривать регулирование показателя pH раствора так, чтобы он мог заменяться, когда это необходимо. Предпола­гается консультироваться с изготовителем антифриза в отноше­нии пределов изменения показателя pH.

В обычном составе автомобильного хладагента используется простая водопроводная вода. Конечно, состав и коррозийность водопроводной воды меняются в весьма широких пределах; су­ществуют географические районы, в которых нормальная водо­проводная вода обладает достаточно высокой коррозийностью. Есть некоторые указания на то, что при определенных обстоя­тельствах коррозийность используемой водопроводной воды яв­ляется фактором, который требует учета при определении ко­нечных коррозийных характеристик автомобильной многомс - тальной системы. Поскольку система солнечного коллектора яв­ляется стационарной, будет разумно не пользоваться перемен­ной по составу и не всегда пригодной водопроводной водой, а использовать для этой цели дистиллированную или деионизиро­ванную воду в сочетании с промышленным этиленгликолем. По всей видимости, это явится полезной и недорогостоящей мерой предосторожности.

В некоторых многометальных системах все-таки может ока­заться желательным и необходимым в качестве теплоносителя использовать воду, а не смесь воды с этиленгликолем. В этих случаях вода потребует обработки для обеспечения целостности защитных окисных пленок. Для этой цели выпускаются различ­ные типы ингибиторов; инструкции по их применению можно по­лучить у изготовителя. Популярны хроматовые ингибиторы, ко­торые прекрасно показали себя при эксплуатации.

Типичным раствором будет 600 ч. на 1000 ч. хромата по сле­дующим формулам:

0,9 г/л Na2Cr204- ШН20;

0,082 г/л Na2Cr207-2H20.

Порошки смешиваются в сухом состоянии и растворяются примерно в двойном весе воды. Затем этот раствор можно доба­вить в бак-аккумулятор. Показатель pH должен находиться в пределах от 6 до 7. Уровень ингибитора должен быть равен 500 ч. на 1000 ч. хромата. Для проверки уровня хромата в си­стеме можно воспользоваться мерными склянками с раствором хромата или методом колориметрического сравнения. Уровень pH имеет значение при колориметрическом определении и дол­жен поддерживаться от 6 до 7.

Предупреждение: хроматовые ингибиторы не должны применяться со смесью вода-антифриз

Алюминиевые элементы системы должны быть гальваниче­ским способом изолированы от элементов из других металлов.

Рекомендуется применять «геттерную» колонну, через кото­рую циркулирует теплоноситель до поступления в алюминиевую часть системы. Такая геттерная колонна состоит из пластмас­сового цилиндра, содержащего ряд алюминиевых пластин. Вода обтекает эти поверхности, задача которых подбирать ионы «тя­желых металлов», возможно попавших в систему в результате коррозии других металлических элементов или другого инород­ного материала в системе.

Желательно, чтобы расчетная скорость теплоносителя в си­стеме была в пределах 0,6—0,9 м/с.

Хотя нам известно, что нормальные рабочие температуры для большинства солнечных коллекторов ниже 100° С, необхо­димо иметь в виду воздействие на систему более высоких тем­ператур, которые могут иметь место в нерабочий период коллек­торной системы. Разумеется, коллекторные системы, предназна­ченные для отопления помещений, в летние месяцы будут от­ключены. Кроме того, системы, предназначенные не только для отопления помещений, но и для приготовления горячей воды, будут работать в летние месяцы периодически вследствие умень­шения спроса на горячую воду. Обзор текущей литературы по­казывает, что в нерабочих условиях (отсутствие потока теплоно­сителя) и в период высоких температур наружного воздуха тем­пература коллектора может достичь 150° С и выше. Понятно, что при температурах выше 120° С большинство органических пено­изоляторов начинает разлагаться. Кроме того, при этих темпе­ратурах может также произойти распад хлорированных или фторированных углеводородов, которые широко применяются для вспучивания органических пенопластов. Продукты распада включают соляную кислоту (НС1) и плавиковую кислоту (HF), которые агрессивно воздействуют на все обычные металлы, в том числе алюминий. Поэтому мы предлагаем избегать приме­нения пенопластной изоляции в солнечных коллекторах.

Как указывалось выше, все эти рекомендации, предлагаемые вниманию изготовителей и пользователей систем, призваны по­мочь оптимизировать коррозионные характеристики алюминие­вых компонентов теплоприемников типа «Ролл-Бонд» в системе. Мы понимаем, что существует большое разнообразие конструк­ций систем, и это может привнести другие факторы, которые в конечном счете повлияют на коррозионные характеристики. Попятно, что конструирование коллекторных систем не входит в наши функции и находится за пределами нашего контроля. Естественно, мы будем рады обсудить с конструктором специфи­ческие особенности системы и предоставить его вниманию до­полнительные предложения, если это окажется уместным. Мы также осознаем, что последующая работа системы совершенно не подпадает под наш контроль.

Хотя предыдущее обсуждение относится к применению алю­миниевых панелей типа «Ролл-Бонд» в солнечных коллекторах, мы все же хотим подчеркнуть, что тс же меры предосторожности могут быть отнесены к применению других металлов, например стали.

Легкость в обращении. Вес теплоприемной пластины не яв­ляется решающим фактором в конструкции солнечного коллек­тора, но он играет роль в простоте изготовления коллектора и обращении с ним. Общая масса коллекторов обычно составляет
менее 25 кг/м2, а на долю теплопрпсмннка, как правило, прихо­дится около 5 кг/м2.

При работе с медью могут возникнуть затруднения, так как она твердеет при формовке и изгибании; сталь, естественно, тре­бует специальных инструментов. Все металлические поверхно­сти теплоприемников требуют тщательной очистки чистящими средствами, до нанесения черной краски на поверхность. Медь с большим трудом поддается окраске.

При креплении труб к теплоприемной пластине нужно учи­тывать трудности пайки или сварки. Припаивапие медных труб к медным пластинам осуществляется сравнительно легко, по стоит дорого при использовании квалифицированного труда Алюминий нельзя припаять или приваривать к любому метал­лу, за исключением некоторых случаев, когда это можно сде­лать с применением специальных средств. Оказались успешны­ми специальные механические соединения, такие, как показаны на рис 5.3.

Стоимость Стоимость теплоприемной пластины необходимо рассматривать совместно с тепловыми характеристиками. Эти характеристики для различных металлов, подробно рассматри­ваемые ниже, показывают, что при существующих несоответст­виях стоимости меди, алюминия, стали и нержавеющей стали лучшим из них следует считать алюминий К сожалению, совер­шенно нерешенные проблемы борьбы с коррозией алюминия препятствуют его широкому использованию. Поскольку запасы меди близки к истощению, возможным вариантом выбора среди металлов может быть нержавеющая сталь, имеющая примерно ту же стоимость. '

Типы теплоприемников для жидкостных систем. Существуют три основные конструкции, обеспечивающие контакт жидкости с теплоприемником с делью отбора тепла. Первая — это волпи-

7 2

162

стый лист Томасона с открытой поверхностью, по которой течет жидкость (рис 5 4) Во второй конструкции использован прин­цип «труба в листе», применяемый в холодильной технике, когда каналы отформованы в теле теплопрнемника. Третий и наиболее популярный метод до появления метода «труба в листе» заклю­чается в наложении труб на пластину либо с задней, тыльной по отношению к солнцу стороны, либо с передней, открытой солн­цу стороны.

Первый метод имеет много преимуществ, как продемонстри­ровал это д-р Томасон. При низких температурах (ниже 45° С) характеристики этого ісплоприемника конкурентоспособны с характеристиками трубчатых конструкций, однако его КПД рез­ко падает при более высоких температурах. Несомненным до­стоинством такого теплоприемника является то, что он само­сливной и не требует защиты от коррозии или замерзания. Хо­лодная вода из бака подается насосом в гидравлический кол­лектор в верхней части конструкции. В этой коллекторной трубе просверлены отверстия диаметром 0,8 мм, расположенные на­против впадин волнистого диета. Нагретая вода собирается в желоб у основания конструкции и самотеком поступает об­ратно в бак-аккумулятор Хотя солнце в сочетании с текущей по поверхности водой постепенно разрушает черную краску, Томасон сообщает о сравнительно небольшом уменьшении об­щего КПД. Он также считает, что слой воды на черном покры­тии не влияет отрицательно на КПД.

Предпринимаются попытки получить сплошной и даже ла­минарный поток воды по плоской поверхности, чтобы обеспечить максимальный контакт с теплоприемной поверхностью. Такой однородный поток получить чрезвычайно трудно, но если это удается сделать, то отпадает необходимость в теплоприемнике, обладающем высокой теплопроводностью, тогда станет возмож­ным применение неметаллов

Теплоприемники типа «труба в листе» лучше всего представ­лены алюминиевым изделием типа «Ролл-Бонд» фирмы «Олин Брасс». Трубы формуются в теплоприемнике при соединении двух листов Схема расположения труб выдавлена на листах до процесса сварки; образование труб происходит при раздутии под давлением В случае стали два листа соединяются методом точечной сварки, вода будет проходить через зазор, образовав­шийся между двумя листами Два варианта этого метода пока заны на рис 5.5 и 5 6.

Большая часть оригинальных экспериментальных исследова­ний плоских коллекторов выполнялась с теплоприемниками в виде труб, прикрепленных к металлическому листу. Характери­стики поглотителей типа «труба в листе» получены по результа­там этих работ. Работая над первым экспериментальным сол­нечным домом Массачусетского технологического института в 1940 г., Хоттел и Вурц написали классический труд по работе коллекторов «Эксплуатационные характеристики плоских кол­лекторов» [19]. Позже Хоттел сказал «Использование труб, расположенных с интервалом в 150 мм и имеющих хороший теп­ловой контакт с зачерненным медным листом толщиной 0,5 мм или зачерненным алюминиевым листом толщиной 1 мм, обеспе­чивает эффективность, составляющую 97% эффективности от бора тепла черным листом, полностью охлаждаемым водой Поэтому вряд ли возможен иной вариант, который улучшал бы характеристики зачерненного теплоприемннка в качестве уст ройства для передачи тепла теплоносителю (Его усовершенст­вование как поглощающей поверхности или радиатора при по­мощи специальной обработки поверхности является другим воп­росом )» [20]

Во мноїих других исследованиях определялось оптимальное расстояние между трубами для металлических пластин разных типов и толщин Рисунок 5 7 взят в упрощенном виде из широко известного исследования, выполненного Блиссом [6] Коэффи­циент эффективности, показанный на этом графике, использует­ся в термодинамических расчетах в числе других характеристик, чем больше величина, тем выше КПД устройства в целом. Дей­ствительные величины зависят от ламинарности или турбулент­ности потока, в последнем случае величины выше Учитывая стоимость и общий коэффициент полезного действия, Блисс на­шел, что 10%-ное отклонение от оптимального расстояния меж­ду трубами допустимо в пределах этих расстояний от 76,2 до 177,8 мм Он также установил, что стоимость применения листо­вой меди в ценах 1959 г увеличенной толщины (от 0,25 до 0,75 мм) росла быстрее, чем КПД в результате применения меди На основе компромисса между стоимостью и эффектив­ностью было определено оптимальное расстояние между тру­бами, равное 100—150 мм для листа меди толщиной 0,25 мм Эквивалентным является расстояние, равное 100—130 мм для стальной пластины толщиной 1 мм Эти величины были вычис­лены в 1959 г с помощью метода Блисса Тем не менее можно ознакомиться с его статьей, которая может оказать помощь в расчете величин при нынешних ценах

Определение размеров трубы — другой вопрос Основными здесь являются соображения в отношении падения давления, скорости потока теплоносителя и стоимости Поскольку стои­мость трубы с увеличением диаметра растет, диаметр труб дол­жен быть как можно меньше Как правило, трубы на поверхно­сти коллектора имеют диаметр 10—15 мм, диаметр нижних и верхних горизонтальных труб составляет 20—25 мм

Чем меньше диаметр трубы, тем меньше ее стоимость, но тем быстрее то же количество теплоносителя должно пройти по ней, чтобы получить оптимальную скорость. Чем быстрее течет теплоноситель, тем больше падение давления в гидравлической системе коллектора. Для уменьшения степени коррозии реко-

мендуются скорости менее 1,2 м/с Необходимые параметры на­соса пропорциональны падению давления, так же как и коли­чество энергии (и стоимость этой энергии) для перемещения теплоносителя и отбора тепловой энергии из коллектора На рис 5 8 представлен график зависимостей между размером тру­бы, скоростью потока и потерей давления (Для более вязких теплоносителей, например, растворов антифриза и масел, харак­терны более высокие уровни падения давления) Де Уинтер сообщает [13], что капиллярный эффект в трубах диаметром менее 10 мм может воспрепятствовать полному сливу и тем самым потенциально создать проблемы замерзания

Конфигурация труб на теплоприемнике или внутри него име­ет важное значение для общих эксплуатационных характери стик Равномерность потока теплоносителя, низкий перепад давления, простота изготовления и низкая стоимость — все эти

Рис. 5 8. Изменение падения давления па метр трубы в за-, висимости от скорости потока воды и диаметра трубы [401

а — номинальный диаметр трубы 75 мм (тип L)

соображения необходимо учитывать при конструи­ровании.

Равномерность потока теплоносителя является, пожалуй, наиболее важ­ным фактором. Поток счи­тается турбулентным в горизонтальных трубах и ламинарным в стояках в обычных ситуациях, когда вода поступает в нижнюю Скорость потока 8оды, м/иаи горизонтальную трубу С

* одной стороны коллектора

и выходит через верхнюю горизонтальную трубу с другой сторо­ны. Даффи и Бекман [14] кратко излагают результаты исследо­ваний Данкла и Дэйви, которые установили, что перепад давле­ния между низом и верхом коллектора намного больше у краев теплоприемника, чем в центре. Это значит, что скорость потока в крайних стояках выше, чем в средних. На рис. 5.9 показаны тем­пературы, измеренные во время эксперимента с батареей из 12 параллельно соединенных коллекторов; на поверхности кол­лектора разность температур 22° С. На рис. 5.10 показаны аль­тернативные схемы соединений для получения более равномерно­го распределения потока и температур.

Данкл и Дэйви также рекомендуют устанавливать горизон­тальные трубы достаточно большого диаметра, чтобы создавать большее падение давления в стояках, а не в горизонтальных трубах. Для принудительной или естественной циркуляции мо­жет быть достаточно батареи из 24 стояков. Даффи и Бекман сообщают далее, что «для батарей принудительной циркуляции из 24 стояков не более 16 стояков должно быть соединено па­раллельно, а для более крупных батарей можно применять по­следовательно-параллельные или многократно-параллельные соединения».

Конфигурации труб для отдельных коллекторных установок показаны на рис. 5.11. Конфигурации от А до D представляют собой решетки и их варианты. На рисунках Е и F показаны из­вилистые схемы, которые устраняют проблемы распределения потока теплоносителя, но имеют больший перепад давления. Их также проще изготавливать, поскольку здесь отсутствуют мно-

гочислспные водопроводные соединения, присущие решетчатым схемам.

В самосливных системах расположение труб и схема потока должны обеспечивать полное опорожнение системы. В ранее применявшихся системах наблюдалось вовлечение воздуха, - а следовательно, и неполное заполнение после слива. Извилистые схемы расположения лучше других решают эту проблему.

Трубы должны быть достаточно прочными, чтобы выдержи­вать давления в результате перегрева. Необходимо предусмат­ривать давления до 27,6 кН/м2 и устанавливать предохрани­тельные клапаны для выпуска пара, образующегося при запол­нении водой горячего пустого коллектора.

Поверхности теплоприемника. Поверхность теп - доприемника (внешняя) и прозрачные покрытия над этой по­
верхностью должны рассматриваться одновременно. Их функ­ции сходны, и выбор покрытий связан с типом поверхности теп­лоприемника. Например, было показано, что применение селек­тивной поверхности в сочетании с одним прозрачным покрыти­ем является более эффективным, чем черной краски на плоской поверхности с двумя покрытиями.

Главная функция поверхности таплоприемпика заключается в увеличении процента поглощаемой энергии солнечного света. По определению, абсолютно черное тело является превосходным поглотителем излучения; волны всех длин при любом угле па­дения будут поглощаться абсолютно черным телом. Однако .ре­альные тела всегда будут отражать часть излучения, которое на них падает, причем в возрастающей степени при увеличении угла падения (рис. 5.12).

Абсолютно черное тело является также превосходным излу­чателем тепловой радиации. Хотя в природе не существует со­вершенных излучателей, большинство черных цветов поглощает столько же энергии, сколько они одновременно и излучают — около 90 или 95%. Идеальной поверхностью теплоприемника будет та, которая не отражает коротковолнового светового из­лучения (она его полностью поглощает) и полностью отражает длинноволновое излучение (совершенно его не излучает). Такая идеальная поверхность называется селективной поверхностью.

К сожалению, селективные поверхности пока еще дороги и выпускается их мало. Однако для обычных целей можно исполь-

Рис. 5.12. Поглощательная способ­ность поверхности резко падает при больших углах падения

зовать матовую черную краску.

Прежде всего поверхность теп­лоприемника должна быть тщательно очищена, для этой цели можно прибегнуть даже к кислой ванне. Различные чер­ные краски можно проверить путем измерения температур поверхностей, покрытых этими красками и находящихся под солнечными лучами.

Эффективность селективной поверхности измеряется коэффи­циентом поглощения (а) солнечной энергии, относительной из­лучательной способностью (є) длинноволновой тепловой ради­ации и отношением поглощательной способности к излучатель­ной (a/є). Эти концепции обсуждаются в приложении «Степень черноты и поглощательная способность материалов».

Селективные покрытия должны оцениваться по возможности их нанесения на определенный материал тешгапр'иемника, по их стоимости, наличию и долговечности. Каждое селективное по­крытие предназначено для нанесения на определенный матери­ал; селективные покрытия, пригодные для меди, необязательно годятся для алюминия. Стоимость является важным фактором, поскольку применение селективных покрытий либо снижает за­траты на другие элементы коллектора (например, устраняет необходимость в двойном остеклении коллектора), либо значи­тельно улучшает характеристики коллектора (а это оправдыва­ет затраты) путем повышения рабочей температуры, получаемой от коллектора, или путем увеличения общего количества погло­щаемой энергии. На сегодняшний день стоимость квадратного метра селективного покрытия колеблется от 2,5 до 25 долл.

Не все селективные покрытия легко доступны. Иногда эти трудности связаны с высокими транспортными расходами до завода, где наносится покрытие, и обратно до потребителя. Ограничивает их применение и сложный процесс нанесения, требующий контроля качества. Обычными методами нанесения покрытий являются гальванические, химические и пароосади - ' тельные ванны. Микроскопические слои в полмикрона должны иметь равномерную толщину. В табл. 5 кратко приводятся неко­торые характеристики селективных поверхностей, которые были исследованы или исследуются в настоящее время. На рис. 5.12 ■ дается несколько «рецептов».

Долговечность является ключевым фактором при выборе типа покрытия Среди разрушительных факторов следует отме тить влагу, высокие температуры и солнечный свет Примерное сравнение характеристик черных матовых красок п селектив ных покрытий представлено на рис 5 13 Теплоприемник с чер­ной матовой поверхностью п двумя прозрачными покрытиями

Рис 5 13 Качественная зависимость влияния свойств покрытия теплопри­емника и кратности остекления на КПД коллектора

А — черная матовая краска заводского из готовления В — селективное покрытие

имеет примерно те же характеристики, что и с селективным по­крытием и одним стеклом При температурах коллектора ниже 65° С второе стекло поверх селективной поверхности существен­но не влияет на рабочие характеристики коллектора Однако при температурах, достаточно высоких для приведения в дейст­вие абсорбционного охлаждающего оборудования (80° С), мо­жет потребоваться второе покрытие При низких рабочих тем­пературах (ниже 40°С), с другой стороны, применение селектив­ного покрытия может не приводить к повышению КПД В насто­ящее время затраты на селективные покрытия лишь иногда вызывают увеличение общей стоимости В солнечных водонагре вателях «Миромит» из Израиля применяется покрытие тепло приемника, разработанное д-ром Гарри Тэйбором, в солнечных водонагревателях «Бисли» из Австралии также применяется селективное покрытие, как и в коллекторах, выпускаемых фир­мой «Сануоркс, инк» (используется покрытие под названием «Эбанол С»). Несколько способов нанесения селективных чер­ных покрытий

1. «Черный никель». Металлическое основание должно быть совершенно чистым, это осуществляется стандартными метода­ми химической чистки, применяемыми в гальваностегии

Черное покрытие получают путем погружения пластины в качестве катода в водную электролитическую ванну, содержа­щую на 1 л- 75 г сульфата никеля (ГББСи-бНгС)), 28 г сульфата цинка, 24 г сульфата аммония; 17 г тиоцианата аммония, 2 г лимонной кислоты.

Показатель концентрации водородных ионов в растворе дол­жен быть около 4, а в качестве анода используется чистый ни­кель. Процесс протекает при 30° С Электролиз занимает 2— 4 мин при 2 мА на 1 см2, точное время зависит от природы ме­таллической подложки и температуры.

При охлаждении существует опасность выпадения осадка из вышеуказанного раствора, поэтому в последней работе исполь­зовали тот же раствор, но половинной концентрации, с теми же результатами (лимонную кислоту можно не использовать).

Лучшие результаты получают при использовании процедуры нанесения двух слоев. Так, па оцинкованном железе электролиз проводится при 1 мА па 1 см2 в течение 1 мин, а затем при 2мА па 1 см2 в течение 1—2 мин.

2. Окись меди на алюминии. Алюминиевая подложка снача­ла покрывается окисным слоем путем анодирования. Для этой цели алюминиевый предмет в качестве катода погружается в водный раствор, содержащий 3% по объему серной кислоты и 3% по объему фосфорной кислоты; анодом является уголь. Электрический ток 6 мА/см пропускается в течение 20—30 с через раствор, после чего его направление меняется на несколь­ко секунд для получения частичного анодирования. После про­мывки алюминиевый предмет погружается на 15 мин при 85— 90° С в водный раствор, содержащий на 1 л: 25 г нитрата меди; 3 г концентрированной азотной кислоты; 15 г марганцевокисло­го калия. После такой обработки алюминиевый предмет выни­мается, высушивается и нагревается до 450° С в течение не­скольких часов, пока поверхность не приобретет черный цвет.

Эта обработка во многом зависит от типа, состава и кри­сталлической структуры алюминия, поэтому результаты неоди­наковы для разных марок алюминиевых сплавов.

3. Окись меди на меди. Описание взято из ссылки [5] и весь­ма сходно с описанием Салема и Дэниелса [9].

До нанесения черного покрытия медь шлифуется для удале­ния грязи и окисных пленок до появления чистой блестящей по­верхности. После обезжиривания в кипящем растворе металло­очистителя медный предмет прополаскивается в чистой - воде и протирается мягкой проволочной щеткой для удаления метал­лических опилок.

Затем производится обработка в течение 3—13 мин! в ван­не с черным раствором при температуре 140—145° С.

Ванна содержит: 453,6 г едкого натра (NaOH); 276,8 г хло­рита натрия (NaC102) па 4,55 л воды.

Остекление. Термин «остекление» является общим обо­значением довольно большой группы прозрачных материалов, [3] которые применяются для ограждения поверхности теплоприем­ника и располагаются обычно с зазором 25 мм от него. Коротко­волновый солнечный свет проникает через «прозрачный» мате­риал (прозрачный для солнечного света), попадает на тепло­приемную поверхность, поглощается ею и превращается в длин­новолновое инфракрасное излучение. Ранее прозрачный мате­риал теперь в определенной мере непрозрачен для длинных волн, и тепло удерживается внутри.

Например, такие материалы, как стекло, плексиглас, поли­эфирные смолы на стекловолокне, тонкие пластмассовые плен­ки, обладают разными способностями пропускать коротковол­новый солнечный свет и улавливать длинноволновое тепловое излучение. Отличаются они и по другим свойствам - по стоимо­сти, массе, сопротивлению разложению под действием солнеч­ной радиации, прочности, легкости в обращении, сопротивле­нию царапанию и т. д.

Основные знания о солнечном спектре во многом облегчают понимание функций и критериев выбора верхних прозрачных покрытий. На рис. 5.14 представлена спектральная интенсив­ность солнечного излучения, попадающего в слой атмосферы. Под верхней кривой приведена плотность солнечной радиации,

Рис 5 15 Влияние угла падения сол­нечных лучей на пропускатсльнуго способность прозрачного стекла По­казанные величины относятся к стек­лу высокой прозрачности с низким содержанием железа с учетом толь­ко потерь на отражение, но не на поглощение Реальные величины для большинства типов стекла, по види­мому, заметно ниже [[31]

которая проникает через атмо­сферу до уровня моря в обыч­ных условиях ясного дня Ниж­няя кривая соответствует ради­ации, которая проникает через одинарное стекло, расположен­ное перпендикулярно солнеч­ным лучам. Длина волны уль­трафиолетовых лучей составля­ет менее 0,4 мкм, а длина волны инфракрасных лучей — более 0,7 мкм. Видимый свет пред­ставлен областью спектра между этими двумя величина­ми. Длинноволновое инфра­красное (тепловое) излучение обычно имеет пределы от 3 до 20 мкм или более по длине волны. Стекло почти пол­ностью непрозрачно для волн такой длины.

Солнечное излучение либо передается, либо поглощается, либо отражается Сумма этих трех действий составляет 100% радиации. Стекло, которое является одним из наиболее попу­лярных материалов для покрытий, имеет различные коэффици­енты пропускания солнечного света в зависимости от угла па­дения солнечного излучения На рис 5 15 показано, как изме­няется іпропускательная способность совершенно чистого стекла в зависимости от количества слоев

В качестве испытанного покрытия стекло является одним из наиболее предпочтительных материалов Оно доступно, имеет хорошую пропускательную способность (85—92% в зависимо­сти от содержания железа; для стекла толще 3 мм эта величи­на ниже); непроницаемо для длинноволнового теплового излу­чения, термически устойчиво при повышенных температурах и обладает сравнительно хорошим сопротивлением царапанию и воздействию атмосферных факторов (за исключением града), Однако более важно то, что оно знакомо всем и каждому.

Некоторые его недостатки заключаются в том, что во избе­жание боя транспортировать и хранить стекло приходится не­большими кусками и с большой осторожностью Оно часто вставляется в коллектор на месте установки, так как вероят­ность боя и большая масса стекла затрудняют его транспорти­ровку на большие расстояния. Его неспособность перекрывать большие площади, а также размерные ограничения требуют применения множества сложных и дорогостоящих деталей за­стекления парникового типа для прикрепления стекла к кол­лектору. Стекло также сравнительно дорого по сравнению со многими другими материалами для покрытии

При использовании стекла необходимо предусмотреть воз­можность для термического расширения и сжатия внутри рамы при одновременном обеспечении герметичности против инфильт­рации влаги и воздуха Оно никогда не должно непосредствен­но контактировать с металлом из-за возможного перегрева по­следнего Стекло также выбирают по условию минимального содержания железа. Если посмотреть на срез стекла, то чем зеленее цвет, тем больше содержания железа и тем ниже коэф­фициент пропускания солнечных лучей. Высококачественное стекло вместо 7% поглощает 3—4% энергии солнечной радиа­ции. В градоопасных районах должно применяться толстое или закаленное стекло или же коллектор предохраняют специаль­ным экраном (который будет задерживать до 4% солнечной энергии).

В системах с двойным остеклением промежуток между слоя­ми должен вентилироваться для удаления воды в результате возможной протечки и конденсации влаги. Для поглощения влаги в коллекторах фирма «ППДжи индастриз» и др. применя­ют камеры с высушивающими средствами.

В конце 50 х годов сотрудники Массачусетского технологи­ческого института обнаружили, что внутренний слой изолирую­щего стекла (например, «Термопана») разрушается под дейст­вием сильных тепловых напряжений, главным образом потому, что внутренний слой намного горячее наружного. Герметичность заделки их общих кромок вызывает значительные внутренние напряжения В связи с этим все изолирующие стекла в коллек торах должны быть соответствующим образом закалены Обыч­ный «Термоиап» может растрескаться при температурах поряд­ка 150° С Фирма «ППДжи индастриз» применяет изолирующее стекло «Гсркулит К» толщиной 3,2 мм собственною производ­ства

Для уменьшения отражательной и увеличения пропускатель - пой способностей на стекло наносят просветляющие покрытия, с помощью которых пропускательпая способность повышается до 95% Эти покрытия, эффективность которых меняется в зависи­мости от длины волны и угла падения света, пока еще широко не применяются и к тому же сравнительно дороги при довольно

небольшом повышении эффективности (от 2 до 4%). Толщина осажденных слоев на обеих поверхностях равна примерно од­ной четвертой длины волны.

Такао Кобаисаки и Стефен Сарджент [24] предлагают сле­дующие альтернативы стеклу для покрытий коллекторов.

Пластмассы. Полиметилметакрилат или акрилаты («Акри - лит», «Люсит», «Плексиглас»); поликарбонат («Лексан», Мер- лон»); полиэтилсптсрефталат или полиэфирные смолы («Ми - лар»); поливинилфторид («Тедлар»); фторированный эгилен - пропилеп или фторуїлеводород («Тефлон», ФЭП); полиамид («Каптоп»); полиэтилен.

Другие материалы. Полиэфирные смолы, армированные стекловолокном («Сан-лит»); слоистые материалы типа «пла­стик-пластик»; слоистые материалы типа «пластик-стекло».

Вообще пластики обладают высокой пропускательпой спо­собностью, потому что большинство из них представляет собой тонкие пленки. Они обычно дешевле и выпускаются большими листами, что потенциально уменьшает их количество и затраты на детали остекления. Многие из них более устойчивы к разру­шению и легче, чем стекло. Их способность деформироваться в холодном состоянии делает пластмассы перспективными для но­вой технологии устройства покрытий.

К сожалению, большинство из них частично пропускает длинноволновое инфракрасное излучение от пластины теплопри­емника, и поэтому они менее эффективны в качестве тепловых ловушек. Длинноволновый коэффициент пропускания составляет 86% для полиэтилена толщиной 0,05 мм и 73% для фториро­ванного этилен-пропилена той же толщины [24]. Однако для некоторых пластмасс увеличение пропускательной способности солнечных лучей компенсирует увеличение тепловых потерь, что аналогично применению селективного слоя на теплоприемной поверхности Однако эффективность тепловых ловушек стано­вится важным фактором при более высоких рабочих температу - ' рах коллектора, и поэтому применение многих пластмасс оказы­вается нецелесообразным.

Многие пластмассы разрушаются при воздействии па них ультрафиолетовых солнечных лучей. Особенно уязвимы пленки из-за своей малой толщины. Некоторые более толстые пласти­ковые покрытия желтеют, теряя в результате определенную часть своей пропускательной способности.

Кроме того, многие пластики размягчаются при повышенных температурах, при охлаждении некоторые возвращают свою первоначальную форму, однако другие, такие, как акрилы, оста­ются деформированными. Низкое сопротивление царапанию не­которых пластмасс является критическим фактором в загряз­ненных или пыльных районах. Для некоторых пластмасс (на­пример, акрилов) выпускаются твердые, защитные, устойчивые к царапанию покрытия, которые стоят недешево.

«Тефлон» имеет очень высокий коэффициент пропускания солнечного света (свыше 95%) и хорошую атмосферостойкость (среди пластмасс), но он дорог и не столь прочен, как другие пластики. При повышенных температурах коллектора срок службы «Тедлара» составляет всего два года. «Милар» сравни­тельно прочен, но довольно быстро разлагается под действием ультрафиолетовых лучей.

Хорошей альтернативой этим пластикам является «Сан-лит», выпускаемый фирмой «Колуолл корпорейшн». Хотя его коэффи­циент пропускания солнечных лучей более 90%, при повышении температуры и под действием солнца он несколько уменьшается (причем постепенно) и выравнивается на уровне чуть более 80%. Однако его сравнительно низкая стоимость, наряду с лег­костью обращения, долговечностью, малой массой делает мате­риал весьма привлекательным для применения. Он выпускается в рулонах неограниченной длины и стандартной ширины 1,2—

1,5 м и является хорошим кандидатом, по крайней мере, для не столь нагретого внешнего ограждающего слоя в системе из двух покрытий.

Фирма «Сантек» разрабатывает мембрану с очень высокой пропуокательной способностью, которая будет применяться в многослойных системах (до шести слоев). Таким путем сохра­няется сравнительно высокая пропускательная способность и значительно сокращаются тепловые потери через фронтальную поверхность. Другая мембрана фирмы «Сантек» при повышен­ных температурах становится непрозрачной, защищая поглоти­тель от перегрева.

Выбор количества покрытий является исключительно важ­ным фактором при проектировании коллектора, влияющего на эффективность работы элементов солнечной энергетической установки или системы отопления или охлаждения. Вообще, чем ниже требуемая температура коллектора, тем меньше нужно покрытий. Например, подогреватели воды в плавательных бас­сейнах могут совсем не нуждаться в покрытии.

Чем больше число покрытий, тем больше они поглощают и отражают солнечной энергии и тем меньшая доля энергии сол­нечного света достигает поверхности теплоприемника. Это осо­бенно проявляется при острых углах падения. Чем ниже темпе­ратура наружного воздуха, тем большее число покрытий тре­буется для получения нужных рабочих температур коллектора без снижения его КПД. Например, при одних и тех же услови­ях солнечного сияния в Новой Англии могут потребоваться два покрытия, а во Флориде — только одно, чтобы получить одина­ковые рабочие характеристики коллектора.

Для использования коллектора для ночного радиационного охлаждения, при котором теплоноситель циркулирует через кол­лектор, охлаждаясь вследствие излучения в окружающее про­странство, никакою стеклянного покрытия не требуется. Охлаж-

Дейие таким способом осуществляется летом; при этом зимний КПД коллектора существенно снижен

На рис. 5.13 показано, что для разных рабочих температур коллектора разное число покрытий соответствует оптимальному КПД. Хотя дополнительное покрытие может обеспечить более высокий КПД, дополнительная стоимость установки может не оправдать его применения Помимо монтажа самого покрытия существуют, например, дополнительные издержки на аккумули­рование тепла. Два покрытия обеспечат более высокую темпера­туру аккумулятора, повысив величину эффективной емкости аккумулятора без увеличения затрат на установку; одно стек­лянное покрытие может привести к увеличению размеров нс только аккумулятора, но и элементов всей системы отопления (например, более крупные каналы и вентиляторы или трубы и насосы), чтобы обеспечить эффективность работы при более низких температурах аккумулятора. Тибу и Леф установили, что применение двух покрытий наиболее экономично для отоп­ления на большей части территории США.

Хоттел утверждает [20]: «Оптимальное число слоев стекла тем больше, чем выше требуемая рабочая температура черной пластины. Для бытового горячего водоснабжения оптимальным обычно будет один слой; в некоторых советских коллекторах имеется один слой на впуске воды в теплоприемник и два слоя на выходе. Для отопления помещения обычно оправдано приме нение двух слов стекла. Система абсорбционного охлаждения из-за более высокого нужного температурного уровня может потребовать трех слоев или применения селективного черного покрытия, в зависимости от того, что дешевле. Соображение по использованию более трех слоев для получения еще более высо­кого уровня должно в любом случае сопровождаться поверхно­стной обработкой стекла для уменьшения потерь на отражение или обработкой теплоприемника, чтобы сделать его селективным, или обоими видами обработки..».

Уиллиер [42] предлагает следующую таблицу в качестве пособия по выбору числа покрытий.

Превышение температуры коллектора
над температурой окружающего воздуха, °С

От —15 до 15 От 15 до 40 От 40 до 65

Конечно, это только приблизительные указания. Реальное реше­ние должно основываться на стоимостных и других соображени­ях: конфигурации коллектора, материалов, из которых он изго­товлен, конструкции упомянутых выше отопительно-охлаждаю­щего оборудования и аккумулятора.

Дополнительное соображение заключается в том, что приме­нение селективной поверхности 'в сочетании с одинарным покры­тием может быть более эффективно, чем два покрытия в соче­тании с матовой черной краской. Хотя многослойные покрытия могут обеспечить более высокий КПД зимой, однако летом кол­лекторы легче подвержены повреждениям из-за более высоких температур, особенно в периоды, когда коллектор не работает. Там, где возможны температуры на несколько градусов ниже точки замерзания, второе покрытие может решить проблему замерзания коллектора.

Зазор между покрытиями выбирается главным образом ис­ходя из его влияния на КПД коллектора и стоимости монтажа КПД коллектора зависит (от 2 до 4%) от тени, отбрасываемой переплетом покрытия на поверхность поглотителя, и от разницы изолирующих способностей воздушного промежутка разной толщины; наиболее эффективны промежутки от 12 до 25 мм.

Рабочая свободная от затенения площадь коллектора опре­деляется частично размером, количеством (частотой располо­жения и длиной) и типом деталей переплета Следует предусмот­реть, чтобы они минимально уменьшали общую полезную пло­щадь поверхности теплоприемника. Необходимо также прове­рить прокладки и замазки для застекления на их устойчивость к ультрафиолетовому и инфракрасному излучению и их темпе­ратурную стойкость. Элементы переплета и детали крепления должны способствовать стоку воды и препятствовать проникно­вению воды, снега и льда внутрь. Они также должны учитывать смещение покрытий в результате расширения и сжатия при из­менении температуры.

Некоторые другие факторы проектирования коллекторов. Изоляция. Для уменьшения потери тепла теплоприемником к тыльной его поверхности крепится слой изо­ляции. Если коллектор устанавливается на ограждающей кон­струкции здания, например на стене или на крыше, то тепло не «теряется», а передается самому зданию, Зимой это является преимуществом, а летом — недостатком. За исключением райо­нов с низкими летними температурами, коллектор должен иметь изоляцию для сведения к минимуму этого добавочного тепла и повышения его общего КПД. Обычным для коллекторов, уста­новленных на крыше, является слой стекловолокнистой или эквивалентной изоляции толщиной до 150 мм; для вертикаль­ных коллекторов толщина может составлять 100 мм. Если кол­лектор представляет собой отдельно стоящее сооружение и не закрывает поверхности здания, то обычно накладывается слой стекловолокпистой или эквивалентной изоляции толщиной 150— 200 мм.

Стекловолокнистая изоляция предпочтительнее стирофомной и уретановой изоляции благодаря своей устойчивости при повы­шенных температурах. В частности, выбор определенного вида уретана должен основываться на его температурной стойкости; некоторые виды уретанов деформируются, вспучиваются и выде­ляют потенциально токсичные газы. Воспламеняемость также должна приниматься во внимание.

Когда это возможно, в особенности для уретана, изоляция должна быть отделена от наружной поверхности теплоприемной пластины поглотителя воздушным промежутком. Благодаря это­му тепло отражается обратно к теплоприемнику, снижая темпе ратуру изоляции и повышения КПД коллектора.

Кромки поверхности коллектора по периметру должны быть изолированы для уменьшения концевых потерь. Периметраль­ные кромки поверхности теплоприемника обычно имеют более низкую температуру; в результате таких концевых потерь общий КПД ниже. Экспериментальная проверка работы коллектора показала, что концевые потери можно уменьшить путем сплош­ной изоляции кромок и увеличения площади поверхности по от­ношению к длине периметра. Не следует злоупотреблять изоля­цией, если она уменьшает потенциальную поверхность погло­щения.

В коллекторах, которые комплектно поставляются изготови­телями, наружная (задняя) сторона изоляции иногда заключена в защитный кожух из металлических, пластмассовых или дере­вянных панелей. Обычно применяют оцинкованную сталь, но в коррозийной атмосфере следует применять панели с еще более высокой атмосферостойкостью.

Ни постоянные, ни ветровые нагрузки не представляют проб­лем для вертикальных стеновых коллекторов или для коллекто­ров, которые встроены в крышу, потому что здание в любом слу­чае должно выдерживать ветровые условия. Для коллекторов, которые отделены от зданий или прикреплены своей собствен­ной конструкцией к 'кровле, ветровые нагрузки являются основ­ным фактором в конструктивном расчете опорной системы. Во­обще, для уменьшения стоимости конструктивной системы и парусности коллектора площади поверхности должны быть не­большими, чтобы обеспечивать низкий аэродинамический про­филь. Это можно сделать, расположив длинные низкие коллек­торы друг за другом. Масса пластмассовых коллекторов со­ставляет примерно 5 кг/м2, а стеклянных и металлических 30 кг/м2. Это намного ниже расчетных нагрузок для крыш боль­шинства зданий.

Снеговые нагрузки не создавали трудностей для ранее по- CI роенных солнечных объектов. В большинстве случаев коллек­торы устанавливались под углами, достаточно крутыми для естественного сползания снега. Если это не помогало, поверх­ность коллектора обогревалась циркулирующим теплоносите­лем и снег таял. Конечно, снеговые нагрузки на коллекторы не будут превышать снеговые нагрузки на обычные крыши, а по сути дела будут даже меньше благодаря сползанию снега,

Удобство осмотра и обслуживания. Поверхности больших коллекторов могут потребовать большего ухода, чем обычные стены и крыши; кроме того, их труднее обслуживать из-за срав­нительно скользких и хрупких поверхностей покрытий. Пробле­мы доступа к коллекторам могут быть частично решены путем устройства длинных и низких коллекторов, рабочих помостов и приспособлений для приставных лестниц. Там, где местные ат­мосферные и климатические условия требуют частого мытья окоп, удобство обслуживания приобретает еще большее значе­ние. Во всяком случае, при проектировании элементов покрытий необходимо учитывать массу обслуживающего персонала.

Теплоемкость коллекторов. Клейн, Даффи и Бекман [23] по­казали, что теплоемкость коллекторов почти не оказывает влия­ния на их рабочие характеристики. Однако в неопубликованной работе «Теплоемкость плоского коллектора для солнечного дома: имеет ли значение величина теплоемкости?» (4 декабря 1973 г.) Уильям Шэрклифф подробно демонстрирует, что в ста­ционарном режиме утреннего пуска и при динамических услови­ях периодического солнечного сияния общий КПД коллекторов может колебаться в пределах 25% в ту или иную сторону по мере изменения их тепловой аккумулирующей способности. Чем меньше теплоемкость, тем больше КПД. Конечно, это будет до некоторой степени коррелироваться условиями солнечного сия­ния, но чем оно нестабильнее, тем более важно иметь меньшую теплоемкость с более короткими периодами нагрева.

Интуиция подсказывает, что Шэрклифф в каком-то отноше­нии прав, поскольку меньшая теплоемкость дает возможность коллектору быстрее достигнуть рабочей температуры. При пре­рывистом солнечном сиянии низкая теплоемкость обеспечивает более полное использование коротких периодов поступления солнечной радиации.

Хоттел и Вурц [19] показали, что потеря тепла, создаваемая теплоемкостью, составляет 40—80 Вт/(м2-К) между коллектором и наружным воздухом. В их коллекторе, который имел два стек­лянных покрытия, медный теплоприемпик и стекловолокнистую изоляцию, на стекло приходилось 52%, на медную пластину —■ 20%, и на изоляцию — 28% общей теплоемкости. Они не считали эту потерю тепла значительной, особенно по сравнению с кол­лекторами, в которых ночыо жидкость не сливалась. Системы, в которых жидкость на ночь пе сливается, имеют в два раза большую эффективную теплоемкость коллектора.

Примеры коллекторов и детали конструк­ции. Прототип солнечного коллектора показан на рис. 5.16. Именно па этой основной модели Хоттел и Вурц [19] проводили свои первые исследования рабочих характеристик солнечного коллектора. Тысячи энтузиастов по всему миру стремились раз­работать эффективные и недорогие способы крепления труб к пластине. На рис. 5.17 показаны три схемы расположения

б] 8 9

Рис 5 16 Солнечный коллектор с двумя стеклянными покрытиями и медным теплоприемником типа «труба в листе» [41] а —коллектор 1 поток воды в следующий коллектор 2 — ПОТОК ВО 1Ы из предыдущею коллектора 3 — два стеклянных покрытия 4 — медный тсплоприсмпнк с верхней поверх костью окрашенной в черный цвет 5 — паяное соединение 6 — стропила размером 504 Х200 мм с расстоянием между центрами 610 мм 7 — медные трубы и — разрез коллек тора стекло не должно содержать железа пропускательная способность через один слои должна быть более 90% 5 — алюминиевая накладка закрывает заполненный частиком промежуток между коллекторами 9 — медная пластина толщиной 0 5 мм 10 — стекло толщиной до о мм 11 —• стекло толщиной 3 2 мм 12 — окрашено в черный цвет 13 — зазор 14 — пайка 15 — медная труба диаметром 12 5 мм 16 — алюминиевая фольга 17 — крепежные накіадки 18 — нзочядня войлочного типа (НО мм) /^—стропила размером 50X200 мм с расстоянием между центрами 610 мм 20 — это пространство вентилируется летом для охлаждения потолка 21 — изоляционная плита

Рис 5 18 Детали коллектора «Со­лярне» Гарри Томасона [36]

1 — алюминиевый фартук 2 — полоска из резины или винила 3 — резиновая или виниловая прокладка 4 — стекло (один или два слоя) 5 — медная тру­ба 12 5 мм отверстия 0 8 мм 6 — вол нистый алюминиевый лист 7 — стек ловолокнистая изоляция 8 — кровля 9 — обрешетка 10 — стропила И— стекло 12 — желоб коллектора

к задней стороне черных медных листов Устройство покрыто дв)мя слоями прозрачного стекла

Система «Солярне» Томасона, в которой вода стекает по по­верхности волнистого листа из алюминия или оцинкованной ста­ли, не сталкивается со многими проблемами замерзания, кото­рые связаны с коллекторами трубчатого типа Детали конька и водосточного желоба ею системы показаны на рис 5 18 Два варианта теплопрнемника типа «труба в листе» предлагаются на рис 5 19 и 5 20 В обоих коллекторах тыльная сторона тепло­приемной пластины изолирована пенополиуретаном И опять чрезвычайно осторожно нужно подходить к выбору уретана, ко­торый был бы устойчив к повышенным температурам, достигае­мым коллекторами в нерабочим период (например, летом)

Коллектор, показанный на рис 5 20, сам по себе является конструктивным элементом Он может заменить собой любой элемент типовой крыши, в том числе стропила, утеплитель и кровлю Тсплоприемник состоит из двух сваренных друг с дру-

91см

Рис. 5 21. Коллектор первого поко­ления, устанавливаемый вместо уча­стка крыши; конструкция фирмы «Сануоркс корпорейшн»

I — болт-шайба, 2 — сплошная накладка стропильной балки, 3—неопреновая про­кладка; 4—стекло, 5 — уплотнение: 6 — желоб, 7 — селективное покрытие, 8 — тру­ба; 9, 10 — изоляция. 7/— стропило, 12 — формованный металлический кожух: 13 — пароизоляция, 14 — сухая кладка

Рис 5 22. Детали: модуль, смонтиро­ванный вместо участка крыши; кон­струкция фирмы «Сануоркс корпо­рейшн»

1 — слой изоляции; 2 —к горизонтальной грубе, 3 — обратная труба, ^ — селектив­ное покрытие, 5 — труба, 6 — стропило; 7 — питающая труба

гом листов металла; высокое давление в трубах требует высоко­качественного сварного шва.

Один из первых промышленно выпускаемых солнечных кол­лекторов для отопления зданий в США был спроектирован в 1973 г. Эвереттом Барбером в Гилфорде, шт. Коннектикут. Пер­вые варианты, представленные на рис. 5.21 и 5.22, были приме­нены в нескольких домах (их можно приобрести через фирму «Сануоркс, инк.»). Так называемый «встроенный модуль» был предназначен для установки между стропилами, заменяя собой утеплитель, обрешетку и атмосферостойкую кровлю. На смену этой модели пришел «наружно монтируемый модуль», который размещается на обычной крыше, обеспечивая жесткость здания и необходимую защиту в непогоду от проникновения воды.

Барбер считает, что проверенные и испытанные материалы дают наилучшие долговременные результаты и, следовательно, лучшую долговременную окупаемость. Трубы для теплоносите­ля и пластина теплоприемника, к которой они припаяны, пол­ностью выполнены из меди.