ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Плоские солнечные коллекторы

Плоские солнечные коллекторы преобразуют в тепло как пря­мое, так и рассеянное излучение. Их можно использовать для получения низ­копотенциального тепла с температурой теплоносителя менее 70 °С, в частнос­ти, для обогрева воздуха в помещениях и нагрева воды в водонагревательных установках. Эффективность таких солнечных коллекторов сильно зависит от погодных условий и снижается с ростом температуры теплоносителя на выходе из коллектора.

Эти коллекторы особенно успешно могут применяться в летнее время для подогрева воды в бассейнах, поскольку в этом случае требуется небольшой на­грев воды выше температуры окружающей среды. В таких установках плоские солнечные коллекторы могут работать с эффективностью около 90 %. Плоские солнечные коллекторы оказываются более эффективными при подогреве боль­шого количества воды до невысокой температуры, чем при нагревании неболь­шого количества воды до высокой температуры и последующем смешивании нагретой воды с холодной.

Самым простым типом солнечного коллектора являются черные пластиковые трубы, выставленные на солнце. Более эффективные конструкции коллекторов теплоизолируются с тыльной и с фронтальной (прозрачной) сторон.

В солнечных коллекторах можно нагревать воду как напрямую, так и с по­мощью промежуточного теплоносителя.

На рис. 10.7 показано поперечное сечение типичного плоского солнечного коллектора. При изготовлении таких коллекторов обычно используются стек - ЧО и алюминий, однако последний подвержен коррозии, если через коллектор пропускается вода. Лучшим с точки зрения эффективной передачи тепла к теп­лоносителю материалом для тепловоспринимающей панели является медь, од­нако она весьма дорога.

В большинстве типичных конструкций панелей солнечных коллекторов ка­налы для теплоносителя изготавливаются их медных трубок, а тепловосприма - ющие ребра панели — из более дешевого алюминия. Панели «чернятся» путем анодирования или просто красятся в черный цвет. При использовании красок возникает ряд проблем, связанных с разрушающим воздействием ультрафи­олетового излучения, от которого слой краски может деградировать и разру­шаться.

Фронтальное прозрачное ограждение солнечного коллектора может быть стек­лянным или пластиковым. При этом следует учитывать, что стеклянную панель легко разбить, а пластиковая панель подвергается разрушающему воздействию ультрафиолетовых лучей. Для снижения тепловых потерь через заднюю стенк> применяют различные теплоизолирующие материалы, такие как, например, стек­ловолокно или вспененный полиуретан. Пенополиуретановые панели придают конструкции хорошую жесткость, позволяя при этом избавиться от дополнитель­ных прочностных элементов, которые увеличивают вес конструкции.

Экструзионная тепловоспринимающая Воздушный панель с трубками

Остекление промежуток і для теплоносителя

.

Внешняя рама ' Тыльная теплоизоляция

(алюминий) (пенополиуретан)

Рис. 10.7. Поперечное сечение типового плоского коллектора

10.3.2. Солнечный коллектор на основе вакуумированных

трубок

Солнечный коллектор на основе вакуумированных труб сосюі из двух концентрических трубок (цилиндров). Внешний цилиндр сделан из стек­ла, а внутренний представляет собой трубку, через которую протекает жидкость. Внешне такие коллекторы похожи на флюоресцентные лампы. Пространен ' между двумя цилиндрами вакуумировано, что снижает конвективные теплові потери в окружающую среду.

Вакуумированные трубки способны нагревать жидкость до температуры 80 С и выше. Солнечный коллектор собирается из нескольких трубок, расстоя1- между которыми, как правило, равно диаметру внешней трубки. Обычно пол трубками устанавливают специальную отражающую поверхность, чтобы уве чить количество поглощаемого солнечного излучения.

10.3.3. Концентраторы

Существующие концентраторы делятся на две группы: безымндл*~ вые И имеющие фокус. Концентраторы фокусируют солнечное излучение либо 14 фокальную линию (2 - D - кон це нтратор ы), либо в точку (З-D-koiідеїпраторы)

Типичный концентрирующий солнечный коллектор состоит из концентрат 1 и приемника (ресивера). Концентратор может пропускать солнечное излучен.

(линза) или отражать его от своей поверхности (зеркало). Приемники излучения делятся на тепловые и фотоэлектрические.

Солнечный коллектор с концентратором характеризуется двумя важными параметрами:

1) степенью концентрации С;

2) телесным углом приема излучения 0.

Степень концентрации может быть определена либо как отношение плошади апертуры к площади приемника, либо как отношение плотности мощности из­лучения, падающего на апертуру, к плотности мощности излучения, падающего на приемник Эти определения не являются эквивалентными. Во втором случае степень концентрации определяет энергетическую эффективность концентратора и с этой точки зрения предпочтительнее для использования.

Телесный угол приема излучения представляет собой максимальный угол (относительно оси), под которым падающее на поверхность концентрато­ра излучение эффективно концентрируется на поверхности приемника (см. рис. 12.10).

Ниже представлена теоретическая зависимость между коэффициентом кон­центрации и телесным углом приема излучения для идеального случая:

для 2-D-кон центратора

Qdeal = (sine) 1; (23)

для З-Б-концентратора

cideai = (sine)-2 (24)

Оценим максимальную температуру, которая может быть достигнута на по­верхности приемника солнечного излучения в зависимости от коэффициента концентрации. Наши оценки будут верны только для идеального приемника, работающего в вакууме (т. е. при отсутствии конвективных тепловых потерь) и идеально теплоизолированного (тепловые потери, связанные с теплопроводнос­тью, также отсутствуют). Будем учитывать только радиационные потери, которых в рассматриваемом случае избежать невозможно (Вт/м2):

Рг = оеТ4 , (25)

где е — коэффициент черноты поверхности, а о — постоянная Стефана-Боль­цмана (5,67 • 10-8 Вт • м-2 • К-4). В нашем случае желательно иметь поверхность с высоким коэффициентом поглощения излучения в диапазоне длин волн солнеч­ного излучения и низкой степенью черноты в диапазоне длин волн радиационных потерь (она зависит от температуры приемника).

Плотность потока излучения, поступающего на ресивер, без учета пот энергии при прохождении солнечного излучения через атмосферу (Вт/м2)

Ріп = 1360С.

В состоянии термодинамического равновесия значение падающего на прием ник излучения равно значению испускаемого им излучения, Рг - Pi :

оТ4 = 1360С

или

i2S

При коэффициенте концентрации С = 1, что характерно для плоского со. нечного коллектора, Т = 394 К, или 120 °С.

Если значение концентрации увеличивается до 1000, максимальная темп ратура теоретически должна возрасти до 2200 К. Если бы удалось создать ко ‘ центратор со степенью концентрации 1 000 000, то согласно вышсприведснн формулам температура приемника могла бы достичь 12 400 К. Однако в эт случае нарушается второй закон термодинамики, так как получается что тет. самопроизвольно передается от более холодного тела (Солнце, 6000 К) к бо. горячему1*. Совершенно ясно, что предельная температура приемника не мол быть выше 6000 К.

К аналогичному выводу мы можем прийти, рассмотрев предельно досткжг мое значение коэффициента концентрации Cideal. Известно, что угловой ради Солнца, наблюдаемого с Земли, равен 0.25°. Тогда с учетом предположении, лежащих в основе уравнений (23) и (24), мы можем получить Стах = 52 000 X 3-D-концентратора и 230 для 2-D-кон центратора. При концентрации 52 000 уравнению (28) вычисляем Tmax = 5900 К, это не нарушает второй закон термон динамики.

В действительности концентрация плотности потока солнечного излучение будет меньше идеальной из-за следующих факторов:

1) форма отражателя всегда имеет дефекты и погрешности изготовления:

2) реальная отражательная способность тела меньше идеальной;

3) имеют место погрешности системы слежения концентратора за Солнцем.

4) атмосферное рассеяние солнечного излучения;

5) поглощение излучения атмосферой.

!) Прим. ред. В принципе передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому возмо' например, с помощью так называемых тепловых насосов. Однако в соответствии со вторым законом термодинамики это возможно лишь в случае реализации некоего термодинамичесі"^ го цикла с обязательными затратами работы (в парокомпрессионном тепловом насосе работ» затрачивается на привод компрессора).