Индивидуальные солнечные установки

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК

По сравнению с обычными системами теплоснабже­ния солнечные установки требуют более тщательного проектирования, конструирования элементов, монтажа и эксплуатации. Для обеспечения надежной и эффектив­ной работы солнечных установок в течение всего рас­четного периода необходимо осуществить правильный выбор гелиотехнического оборудования и материалов для его изготовления и произвести качественно работы по установке и монтажу оборудования.

Материалы для изготовления корпуса солнечного кол­лектора. Основными элементами активной гелиосистемы являются коллектор солнечной энергии и аккумулятор теплоты. Для изготовления этих элементов системы ис - пбльзуются различные материалы — металлы, пластмас­сы, стекло, бетон, дерево, полимерная пленка, теплоизо­ляционные материалы, резина. Основным требованием к выбору материалов является требование совместимо­сти конструкционных материалов с рабочими жидкостя­ми при условиях эксплуатации. Особенностью работы солнечных коллекторов является воздействие на них внешней среды. Поэтому корпус коллектора, вмещающий такие конструктивные элементы, как лучепоглощающая поверхность с трубами или каналами для теплоносителя, остекление, тепловая изоляция, должен надежно защи­щать их от воздействия внешней среды, предохраняя от попадания влаги, пыли, вредных веществ.

Корпус коллектора может быть изготовлен из оцин­кованного железа, алюминия, стеклоткани, дерева, кау­чука, композиционных материалов я др. Выбор мате­риала осуществляется в соответствии с конструкцией и с учетом наличия материала. Так, для вакуумированщго солнечного коллектора требуются трубы из высококаче­ственного боросиликатного стекла.

Все материалы, используемые для изготовления эле­ментов коллектора, должны выдерживать максимальнее и минимальные рабочие температуры. Внутри корпуса коллектора должно быть предусмотрено свободное про­странство для расширения абсорбера, температура кото­рого может достигать 200 °С и более (при отсутствии теплоносителя).

Материалы для лучепоглощающей поверхности кол­лектора. При выборе конструкционных материалов для изготовления элементов гелиосистем необходимо учиты­вать их совместимость с рабочими жидкостями. При этом для предотвращения коррозии необходимо учитывать следующие рекомендации.

Алюминий нельзя применять в случае прямого контакта с водопроводной водой (рН=5-=-9) без ее хи­мической обработки и добавления ингибитора коррозии. Он может применяться при прямом контакте с дистил­лированной или деионизированной водой, содержащей ингибитор коррозии при условии отсутствия контакта с железом или медью, которые, обладая менее положи­тельным электродным потенциалом, образуют с алюми­нием гальванические пары. Кроме того, алюминий мо­жет работать с безводными органическими жидкостями. Скорость воды и водных растворов в трубопроводах не должна превышать 1,25 м/с.

Медь и ее сплавы можно применять при пря­мом контакте с дистиллированной и деионизированной водой или с водопроводной водой с низким содержанием хлоридов, сульфатов и сульфидов, а также с безводными органическими жидкостями. Медь нельзя применять в следующих случаях:

1) При прямом контакте с водными растворами с вы­соким содержанием сульфида водорода, хлоридов и суль­фатов;

2) При прямом контакте с водой и с водными раство­рами при скорости их движения более 1,25 м/с и при pH до 5.

Сталь рекомендуется применять при прямом кон­такте с дистиллированной и деионизированной водой или с водой, содержащей ингибиторы коррозии (pH=84-12), при низком общем солесодержании. Ее нельзя применять в прямом контакте с необработанной водопроводной во­дой, дистиллированной или деионизированной водой с pH более 12 или pH до 8.

Оцинкованную сталь (железо) следует применять для внутренней обшивки аккумуляторов теп­лоты с катодной защитой и с безводными органическими жидкостями. Ее нельзя применять в прямом контакте с водой и водными растворами, содержащими ионы меди или имеющими pH более 12 или pH до 8, а также при температуре воды выше 55 °С.

Нержавеющая сталь должна обладать высо­ким сопротивлением к питтинговой коррозии, межкри - сталлитной коррозии и коррозионному растрескиванию в рабочих средах. Ее можно применять при контакте с безводными органическими жидкостями. Во всех ос­тальных случаях выбор - марки нержавеющей стали дол­жен быть основан на ее совместимости с конкретной жид­кой средой.

Пластмасса, резина, каучук, компози­ционные материалы хорошо совместимы с жид­кими теплоносителями — водой и другими жидкостями. Однако масштабы их применения в гелиотехнике пока невелики.

Материалы должны обладать следующими характе­ристиками:

Хорошей устойчивостью к воздействию ультрафиоле­тового излучения и атмосферных факторов — осадков, загрязнений и т. п.;

Способностью выдерживать колебания температур от —25 до 150 °С;

Достаточной механической прочностью и пожаро­безопасностью.

Недостатки пластмасс: деградируют под действием ультрафиолетового излучения и не выдерживают высо­ких температур, которые могут развиться при отсутствии теплоносителя в коллекторе.

Выпускаемые в СССР плоские коллекторы солнечной энергии имеют низкие оптико-теплотехнические характе­ристики, отличаются большой удельной массой (50— 60 кг/м2 при изготовлении КСЭ из стального штампован­ного радиатора в стальном корпусе и 40 кг/м2 в алюми­ниевом корпусе). Если применять пластмассы, каучук,

Резину и композиционные материалы, то масса коллекто­ров уменьшится до 5—10 кг/м2. В ФРГ и Франции вы­пускаются КСЭ из синтетического каучука и оребренных пластмассовых труб, выдерживающих как низкие (до —30 °С), так и высокие (до 110—140 °С) температуры, не портящихся под действием ультрафиолетового излу­чения, имеющих высокую эффективность и низкую стои­мость. Себестоимость 1 кВт-ч производимой в пластмас­совых КСЭ теплоты в 10—12 раз ниже, чем в металли­ческих, и в 4—5 раз ниже, чем при сжигании жидкого топлива или при использовании теплового насоса.

Очевидно, нужно направить усилия на производство новых типов солнечных коллекторов из современных ма­териалов, включая полимерные и композиционные мате­риалы. В низкотемпературных солнечных установках, предназначенных для получения горячей воды в индиви­дуальных жилых домах, дачных поселках и на сельско­хозяйственных объектах, а также для обогрева плава­тельных бассейнов, целесообразно использовать пласт­массовые коллекторы. Некоторые конструкции подобных коллекторов будут описаны ниже.

Материал прозрачной изоляции солнечных коллекто­ров. Прозрачная изоляция предназначена для снижения тепловых потерь КСЭ и предотвращения попадания осадков внутрь него. Обычно используется один или два слоя прозрачной изоляции КСЭ, но могут также приме­няться КСЭ без прозрачной изоляции, а иногда и КСЭ с тремя слоями изоляции. Материал прозрачной изоля­ции должен обладать высокой пропускательной способ­ностью для солнечной радиации (длина волн от 0,3 до

2,5 мкм) и быть практически непрозрачным для длинно­волнового (более 3 мкм) теплового излучения, испускае­мого поверхностью абсорбера.

Обычно используется оконное стекло. Лучше всего применять стекло с низким содержанием оксидов желе­за. Стекло должно быть изолировано от металлических поверхностей с помощью резиновой П-образной проклад­ки и уплотнения во избежание его повреждения или об­разования трещин в результате возникновения тепловых напряжений.

Альтернативным материалом прозрачной изоляции является полимерная пленка, обладающая, к сожалению, существенным недостатком, связанным с деградацией под действием ультрафиолетового излучения. Однако,

Учитывая ее низкую стоимость, ее все же целесообразно применять. Выше были описаны конструкции гелиосуши - _ лок с применением полимерной пленки. В последующих разделах будет дана дополнительная информация по при­менению полимерных материалов для изготовления кол­лекторов. Полимерная пленка лучше (по сравнению со стеклом) пропускает солнечное излучение, поэтому при двухслойной прозрачной изоляции можно один слой стек­ла заменять полимерной пленкой. Для повышения срока службы пленки ее необходимо специально обработать с целью повышения стабильности по отношению к воз­действию ультрафиолетового излучения.

Теплоизоляционные материалы для коллекторов. Теп­лоизоляционный материал должен отвечать следующим требованиям. Он должен иметь низкий коэффициент теп­лопроводности Я, низкую плотность р, высокую темпера­туру плавления, высокую сопротивляемость различным вредным воздействиям и влиянию погодных условий. Наилучшими теплоизоляционными материалами являют­ся пенополиуретан и полистирол, могут применяться так­же минеральная вата и стекловата.

Характеристики некоторых наиболее употребительных в конструкциях коллекторов теплоизоляционных мате­риалов приведены в табл. 9.

Уплотнительные материалы и проклад­ки. Для уплотнения стекла в корпусе солнечного кол­лектора лучше всего подходит силиконовая резина. Уп­лотнительные прокладки необходимо помещать с обеих сторон стекла. Для этого прокладка должна иметь П-об - разную форму с зазором для стекла.

Материалы селективных покрытий. В гл. 5 подробно описаны селективные поглощающие по­крытия для лучепоглощающей поверхности солнечного коллектора и способы их получения. Более детальные сведения содержатся в специальной литературе.

Теплоносители для солнечных кол­лекторов (табл. 10). В жидкостных системах горя-

Чего водоснабжения и отопления в качестве теплоноси­теля в солнечном коллекторе используются в основном вода или незамерзающая жидкость—антифриз. В воз­душных системах применяются коллекторы, в которых нагревается воздух. Вода как теплоноситель имеет опре­деленные преимущества и недостатки в сравнении с воз­духом. Вода имеет хорошие теплофизические свойства (теплоемкость, коэффициент теплопроводности, вязкость, плотность), однако при отрицательных температурах на­ружного воздуха она замерзает в трубопроводах и других элементах гелиосистемы. Поэтому необходимо принимать меры по предотвращению ее замерзания. Серьезную про­блему представляет коррозионная активность воды по отношению к большинству конструкционных материалов. Воздух не замерзает и не вызывает коррозии, но его теп - лофизичсские свойства значительно уступают воде. Раз­меры воздуховодов и каналов для потока воздуха намно­го больше размеров конструктивных элементов жидкост­ных систем. Кроме того, вентиляторы в воздушных системах потребляют большое количество энергии и соз­дают шум. Воздушный поток должен омывать всю по­верхность абсорбера для обеспечения эффективного теп­лообмена с лучепоглощающей поверхностью.

В жидкостных системах наряду с водой используются также незамерзающие теплоносители — этилен - и про - пиленгликоль и др. Их недостатком является малый срок службы (до 3—5 лет). Пропиленгликоль в отличие от этиленгликоля не токсичен. Токсичность воды зависит от вида применяемого ингибитора коррозии. Углеводород­ные теплоносители мало токсичны. Не следует применять фреоны, поскольку они разрушают озонный слой атмо­сферы Земли.

Свойства некоторых материалов для изготовления гелиосистем, а также селективных поглощающих покры­тий приведены в табл. 11 и 12.

Материалы для аккумуляторов теплоты. Достаточно подробное описание методов аккумулирования теплоты,

А также теплоаккумулирующих материалов, применяе­мых в жидкостных и воздушных гелиосистемах горячего водоснабжения и отопления, дано в § б, а в табл. 4 дана сравнительная характеристика этих материалов. Для во­донагревательных установок и жидкостных систем отоп­ления лучше всего ^применять воду в качестве теплоак­кумулирующего материала, а для воздушных гелиосис­тем—гальку, гравий и т. п. Однако следует иметь в виду, что галечный аккумулятор при одинаковой энергоем­кости по сравнению с водяным аккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь. Например, водяной аккумулятор диаметром

1,5 и высотой 2,4 м имеет объем 4,3 м3, в то время как галечный аккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объем 13,8 м3.

Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода ве­щества. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккуму­лирования соответствует теплоте сгорания: нефть — 11,3, уголь (условное топливо) —8,1, водород — 33,6 и древеси­на— 4,2 кВТ"Ч/кг. При термохимическом аккумулирова­нии теплоты в цеолите (процессы адсорбции — десорб­ции) может аккумулироваться 286 Вт-ч/кг теплоты при разности температур 55 °С. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галь­ка, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60 °С составляет 14—17Вт-ч/кг, а в воде — 70Вт-ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление — затвердева­ние) плотность аккумулирования значительно выше: лед (таяние)—93, парафин — 47, гидраты солей неоргани­ческих кислот — 40—130 Вт-ч/кг.

Свойства теплоаккумулирующих веществ приведены в табл. 13 и 14.

Аккумулирование теплоты может осуществляться также в грунте, в частности, этот способ аккумулирова­ния применяется в теплицах.

В качестве материала для изготовления бака-аккуму­лятора обычно используют сталь или бетон. Бункер для слоя гальки может быть изготовлен из этих же материа­лов. Однако он также может быть изготовлен из толстой фанеры (12 мм) или досок, а каркас при этом делают из стального уголка. Изнутри обшивка должна иметь по­крытие из полимерной пленки для обеспечения герметич­ности. В случае горизонтального расположения галечного

Аккумулятора сверху на слой гальки необходимо поло­жить полимерную пленку, а на нее насыпать слой песка толщиной около 5 см. Это делается для того, чтобы предотвратить движение воздуха над слоем гальки. Кро­ме того, при большой длине аккумулятора необходимо установить вертикальную перегородку, которая обеспе­чит хорошее омывание частиц гальки потоком воздуха.

Стоимость теплоаккумулирующих материалов изменя­ется от 0,01 для гальки и 0,02 для бетона до 0,57 руб/кг для жидкого натрия. Стоимость воды принимается рав­ной 0.