Конструкции солнечных коллекторов: Как работает солнечный коллектор на вакуумных трубках • Ваш Солнечный Дом

Принцип работы

Солнечный вакуумный коллектор (преобразователь тепловой энергии солнца) обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, вне зависимости от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии таких коллекторов, при степени вакуума 10ֿ, составляет 98 %. Солнечные коллекторы обычно устанавливаются непосредственно на крыше зданий таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать площадь крыши для сбора энергии. Коллекторы монтируются практически под любым углом, от 5 до 90 градусов. Минимальный угол наклона необходим для обеспечения циркуляции теплоносителя Срок службы вакуумных коллекторов — не менее 20 лет.

Резервуар-теплообменник представляет собой автоматизированную систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный водонагреватель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной энергии.

Блок управления предназначен для контроля температуры в солнечном коллекторе и резервуаре-теплообменнике, а также для выбора, в зависимости от величины этих температур, оптимального режима работы системы в течение суток. При этом контроллер регулирует поток теплоносителя через теплообменник, определяет направление подачи тепла (на ГВС или на отопление). В ночное время автоматика системы обеспечивает минимально необходимое привлечение дополнительной энергии для поддержания заданной температуры внутри помещения. Система обладает малой инерционностью, быстрым выходом на рабочий режим и позволяет обеспечить:

• Круглогодичное горячее водоснабжение;
• Сезонное отопление с экономией традиционных источников тепловой энергии до 80% (в зависимости от географической широты и климатических условий).

Конструкция элементов

вакуумный коллектор

Конструкция коллекторов с вакуумными трубами состоит из параллельных рядов прозрачных трубчатых профилей.

Конструкция вакуумных труб похожа на конструкцию термоса: одна трубка вставлена в другую с большим диаметром. Между ними вакуум, который представляет совершенную термоизоляцию. Для всесезонных систем в коллекторах применяются вакуумные трубы с встроенными термотрубками (тепловыми трубками). Термотрубка – это закрытая медная труба с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть – наконечник, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура.

Приемник солнечного коллектора медный с полиуретановой изоляцией, закрыт нержавеющим листом. Передача тепла происходит через медную „гильзу“ приемника. Благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую смесь из контура теплообменника.

Резервуар-теплообменник

Конструктивно выполнен в виде бойлера-накопителя. Предназначен для накопления и сохранения тепла, и обычно включает в себя одну или две внутренние теплообменные спирали. Остальное оборудование системы обычно включает насос, манометр, клапан давления, вентили, кран регулировки налива воды, соединители, манометр, вентиль безопасности на 6 атм., набор для безопасного подсоединения к отопительной системе. Как опция бак может оснащаться электронагревателем мощностью от 1 до 3 кВт.

При одновременной потребности в горячей воде и отоплении, солнечная энергия распределяется между нагревом главного котла и горячим водоснабжением. При достижении заданной температуры, автоматика переключает подачу тепла на отопительный контур. Такая последовательность работы системы может быть изменена на прямо противоположную, в зависимости от климатической зоны или времени года. Система сконструирована таким образом, что к ней легко могут подсоединяться другие нагревательные системы.

Системный контроллер для солнечных водонагревательных систем

Контроллер предназначен для контроля температуры в солнечном коллекторе, в резервуаре-теплообменнике и выбора, в зависимости от величины этих температур, оптимального режима работы системы в течение суток.

Контроллер выполняет следующие основные функции:

• Индикацию температуры коллектора;
• Индикацию температуры в резервуаре;
• Индикацию температуры обратного потока теплоносителя;
• Установка температуры включения принудительной циркуляции теплоносителя;
• Установка времени включения и выключения системы отопления;
• Установка температуры и времени дополнительного подогрева;
• Установка температуры «антизамерзания»;
• Индикацию повреждения датчиков.

Типы гелиосистем

Различают два типа гелиосистем: сезонные и круглогодичные (всесезонные)

К сезонным системам относятся вакуумные коллекторы с прямой теплопередачей солнечной энергии воде. В таких системах вакуумные трубки расположены под определенным углом и соединены с накопительным баком. Из него вода протекает прямо в трубки, нагревается и возвращается обратно.

К преимуществам этой системы относится непосредственная передача тепла воде без участия других элементов. Минусом можно считать несколько больший объем воды контура теплообменника (60-200 литров). Основным преимуществом остается низкая стоимость и высокий КПД, до 98 %.

К всесезонным системам относятся вакуумные коллекторы с термотрубками. Принцип действия таких коллекторов прост и припоминает работу установки центрального отопления. Это закрытая система, в которой, через верхнюю часть коллектора и змеевик протекает, незамерзающая жидкость. Эта жидкость забирает тепло из медных наконечников, а затем горячая жидкость перекачивается через змеевик бака-аккумулятора и нагревает воду в баке. Цикл передачи тепла из коллектора к аккумулятору длится до тех пор, пока длится день (и температура на выходе коллектора выше температуры в баке на уровне теплообменника). Работу насоса контролирует электронный контроллер. Датчики контроллера находятся в коллекторе и в баке-аккумуляторе. Они измеряют температуру в системе. Кроме того, расширительный бак предохраняет систему от слишком высокого давления, возникающего при возрастании температуры и не использовании воды потребителями.

Область применения

• Обеспечение горячим водоснабжением жилых домов, коттеджей, дачных домиков, гостиниц, ресторанов, теплиц, бассейнов и т.д.;
• Отопление помещений в весенне-осенний период и экономия энергоносителей системы отопления в зимний период до 50%.
• Поддерживающее отопление помещений при применении с технологией «теплый пол»

Источник: http://forum.truba.ua/index.php?topic=2983.030 Апрель 2008

Эта статья прочитана 23521 раз(а)!

Продолжить чтение

• 66

  Интересные ссылки по солнечным коллекторам Солнечные коллекторы: правда и мифы. Приведено сравнение плоских и вакуумных коллекторов. Написано все, на удивление, правильно, видно что писал не журналист, а практик. Видео о солнечных коллекторах https://youtu.be/Bm-hgBhgwL0 Процесс кипячения воды в вакуумной трубке Испытания…

• 62

  Солнечное тепло: горячее водоснабжение и отопление с вакуумными солнечными коллекторами В вакуумном водонагревателе-коллекторе объем, в котором находится темная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет практически полностью устранять потери теплоты в окружающую среду за счет…

• 60

  Эскизный проект загородного сельского дома с отоплением от солнечного коллектора Вырезка из журнала «Наука и Жизнь», кажется №12 за 1985 год. Арх. А.Семенов. СОЛНЕЧНЫЙ ДОМ Возможность использования солнечной энергии для экономии топлива при обогреве характеризуют следующие цифры. Среднее за год…

• 58

  ГОРЯЧАЯ? В ЛЮБОЕ ВРЕМЯ! Многие жители села и садоводы имеют на своих участках душ. Как правило, это небольшая отдельно стоящая закрытая постройка с баком на крыше. Из него самотеком по трубе к душевой сетке поступает холодная вода. Конечно, в жаркий…

• 55

  Солнечное тепло: горячее водоснабжение и отопление В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в…

• 54

  Какой коллектор лучше — вакуумный или плоский? Вакуумные коллекторы 1. Tрубчатый коллектор работает при рассеянном излучении, в том числе в зимний период и в пасмурную погоду, так как он способен абсорбировать диффузионную радиацию благодаря высокоселективной абсорбционной поверхности. Зависимость КПД коллекторов…

виды, принцип работы системы, правила установки солнечных коллекторов, сфера и специфика применения устройств

Солнечными коллекторами называют установки, предназначенные для сбора тепловой энергии солнца, используемой для нагрева теплоносителя. Как правило, их используют для отопления и горячего водоснабжения помещений. Основные объекты использования гелиоколлекторов – здания коммерческого назначения и частные дома.

Солнечный коллектор – своего рода уникальное устройство. Его покупка в будущем позволит избавиться от ежемесячных расходов на горячую воду и отопление. Однако в связи с его немалой стоимостью главное – не допустить ошибок при выборе соответствующего оборудования.

Следовательно, перед тем, как приобрести гелиоколлектор, необходимо располагать общей информацией о его видах, особенностях и принципах работы.

Преимущества солнечных коллекторов и гелиосистем Oventrop

Экономичность. Солнечные коллекторы существенно снижают расходы на горячее водоснабжение и обогрев коттеджа в холодное время года. Использование гелиоустановок сокращает годовые затраты на нагрев воды до 60%, а на отопление здания – до 30%;

Экологическая чистота. Гелиоколлектор абсолютно безопасен, т.к.

Автономность. Гелиоустановка может отапливать здания даже в случае длительных перебоев в работе системы теплоснабжения. Аналогичная ситуация и при отключении горячей воды.

Специфика применения

В отличие от теплогенераторов и тепловых насосов, преобразующих энергию из согретых солнцем грунтовых вод и воздушных масс, солнечные коллекторы работают от прямых солнечных лучей, воздействующих на их поверхность. Единственный нюанс гелиоколлекторов заключается лишь в том, что ночью они находятся в пассивном режиме.

На суточную производительность гелиоустановки влияют такие факторы, как:

• Продолжительность светового дня, которая в свою очередь зависит от географической широты региона и времени года. Так, например, в Центральной части России летом солнечный коллектор будет функционировать по максимуму, а зимой – по минимуму. Это связано не только с длительностью дня, но и изменением угла падения солнечных лучей на гелиопанели;
• Климатические особенности региона. Как правило, на территории нашей страны имеется множество участков, над которыми больше 200 дней в году солнце скрывается за слоями туч или за пеленой тумана. Несмотря на то, что гелиоколлектор может улавливать даже рассеянные солнечные лучи, в пасмурную погоду его продуктивность значительно уменьшается.

Принцип работы и особенности устройства

Главным элементом гелиоколлектора является адсорбер. Он представляет собой медную пластину с присоединенной к ней трубой. При поглощении энергии воздействующих на гелиосистему прямых солнечных лучей, адсорбирующий элемент моментально нагревается, передавая тепло циркулирующему по трубопроводу теплоносителю.

От типа поверхности коллектора зависит его способность отражать или поглощать солнечные лучи. Так, например, устройство с зеркальной поверхностью превосходно отражает свет и тепло, в то время как черная пластина полностью поглощает их. Следовательно, для наибольшей эффективности медную пластину адсорбера чаще всего покрывают черной краской.

Чтобы также повысить количество излучаемой от солнца тепловой энергии, необходимо грамотно выбрать прикрывающее адсорбер стекло. Для солнечных коллекторов применяют специальное стекло с антибликовым покрытием и минимальным процентом содержащегося в нем железа. Такое стекло отличается от обыкновенного не только сниженной долей отражаемого света, но и увеличивает прозрачность.

Кроме того, для предотвращения загрязнения стекла, что тоже снижает эффективность работы гелиоустановки, корпус коллектора полностью герметизируют, либо наполняют инертным газом.

При всем этом часть получаемой тепловой энергии пластина адсорбера отдает в окружающую среду, нагревая взаимодействующий с гелиосистемой воздух. Для снижения теплопотерь адсорбирующий элемент следует изолировать. Поиски максимально эффективных способов теплоизоляции и привели к появлению множества разновидностей солнечных коллекторов. Одними из распространенных видов являются плоские и трубчатые, или вакуумные.

Плоские солнечные коллекторы: устройство

Гелиоколлектор плоского типа состоит из алюминиевого короба, сверху которого установлено защитное стекло с абсорбционным слоем. Внутри корпуса расположены медные трубки, впускной и выпускной патрубки. Дно и стенки короба защищены самым надежным теплоизолирующим элементом – минеральной ватой.

Некоторые модели плоских коллекторов могут также иметь под стеклом слой пропиленгликоля, который выполняет функцию поглотителя солнечных лучей. Это увеличивает его КПД, обеспечивая оборудованию максимальную производительность вне зависимости от сезона.

Достоинства и недостатки плоских гелиоколлекторов

К главным преимуществам плоских солнечных коллекторов относят:

• Способность к самоочищению в случае выпадения осадков в виде снега или инея;
• Высокие показатели в соотношении «цена/качество», что характерно для южных регионов с теплым климатом;
• Высокий КПД при эксплуатации в летний сезон;
• Сравнительно невысокая стоимость в отличие от других гелиоконструкций.

Основными недостатками таких систем являются:

• Высокие теплопотери, обусловленные конструктивными признаками установок;
• Небольшой КПД при функционировании осенью и зимой;
• Сложности в ходе перевозки и монтажа гелиосистем;
• Максимальные затраты в случае выполнения ремонтных работ;
• Повышенная парусность гелиоустановки.

Сфера применения плоских солнечных коллекторов

Несмотря на недостатки, данный тип гелиосистем используется для сезонного нагрева горячей воды. Плоские гелиоколлекторы используются:

• Для горячего водоснабжения летнего душа;
• Для подогрева воды в бассейне до нужной температуры;
• Для обогрева теплиц.

Вакуумные гелиоколлекторы

Вакуумный солнечный коллектор – это высокотехнологичное комплексное устройство, предназначенное для сбора тепловой солнечной энергии и последующей ее переработки в тепловую энергию, которая используется в быту и промышленных сферах для обеспечения отопления, подогрева воды в системах водоснабжения. Солнечный вакуумный коллектор высокоэффективен и эргономичен, обладает высоким КПД даже в условиях слабой освещенности и низких температур, что дает возможность использовать систему в любое время года. Устройство позволяет перерабатывать в тепло инфракрасное излучение, проникающее сквозь облака и рассеянные лучи. Солнечные коллекторы Oventrop способны даже при отрицательных температурах окружающей среды нагреть воду до ста градусов Цельсия.

Сфера применения вакуумных  солнечных коллекторов

Использование конструкции значительно снижает затраты на отопление в зимний период года и гарантирует бесплатный подогрев воды в летний период года. Солнечный коллектор активно поглощает солнечную энергию и улавливает 98% энергии, когда степень вакуума — 10^—. Системы устанавливают на фасадах, плоских или скатных крышах. При расположении в произвольных местах угол наклона должен находиться в пределах 15-75⁰. Срок эксплуатации – не менее двадцати лет.

Системы широко используются для:

• подогрева воды в бытовых и производственных водопроводах, бассейнах;
• работы отопительных индивидуальных систем;
• обогрев теплиц.

Коллекторы легко включаются в сети водо- и теплоснабжения. Для подключения системы используется станция Regusol X Duo с вмонтированным теплообменником и контроллером, которая благодаря послойному накоплению теплоносителя повышает эффективность всей энергосистемы.

Установка солнечного коллектора

От правильности установки коллектора напрямую зависит эффективность конструкции. Для избегания риска поднятия давления вследствие перегрева воды расчет солнечного коллектора выполняются исключительно в специальных программах. Расчеты производятся с учетом погодных условий в точке размещения коллектора и среднегодового расхода тепла. Мощность солнечного корректора вычисляется исходя из данных о площади, значения инсоляции системы и КПД коллектора.

Перед началом расчетов определяется, будет система круглогодичной или сезонной.

1.  Солнечные корректоры сезонного типа предполагают использование в теплый период года (середина апреля – середина октября). Данная конструкция состоит из бака накопителя и коллектора. Теплоносителем служит вода, которая замерзает при отрицательных температурах, поэтому использование ее в холодную часть года невозможно.
2. Круглогодичные системы могут эффективно использоваться вне зависимости от температурного режима окружающей среды. В конструкции используется незамерзающая эфирная жидкость, которая обеспечивает высокий КПД солнечного коллектора даже в самые холодные дни года.

Вакуумные солнечные коллекторы при грамотной установке и монтаже покрывают до 60% среднестатистической семьи в горячей воде и обеспечивают отопление в период от второй половины весны до середины осени. Например, при установке системы в средних широтах России коллектор площадью в два квадратных метра обеспечивает ежедневный нагрев ста литров воды до 40-60⁰.

Эффективность установки в летний период года значительно выше. За один ясный световой день 1 м² коллектора будет прогревать около восьмидесяти литров воды до температуры + 65⁰. Среднегодовая производительность солнечного коллектора с поглощающей площадью в 3м² будет состоять в диапазоне 500-700 кВт/ч на 1м².

Устройство вакуумного солнечного коллектора

Компания Oventrop предлагает вакуумные солнечные коллекторы с тепловой трубкой. Системы с тепловой трубкой конструктивно напоминают термос: в стеклянную/металлическую трубку большего диаметра вставлена другая, меньшего диаметра. Пространство между ними вакуумированно, что обеспечивает максимально эффективную теплоизоляцию от воздействия внешних температур и минимальные потери на излучение. Вакуумная прослойка позволяет сохранить до 95% поглощенной тепловой энергии.

Все вакуумированные трубки оборудованы внутри медными пластинами поглотителя с эффективно собирающим солнечную энергию гелиотитановым покрытием. Заполненная специальной эфирной жидкостью тепловая труба установлена под поглотителем и присоединена к расположенному в теплообменнике конденсатору. Полученная поглотителем солнечная энергия превращает жидкость в пары, которые поднимаются в конденсатор и отдают тепло коллектору, конденсируется и возвращается в нижнюю часть колбы. Благодаря цикличности создается непрерывный процесс теплообмена.

Система способна вырабатывать значительные температуры и обеспечивает высокий КПД даже при слабой освещенности и t -30 — -45⁰С (в зависимости от вида коллектора с трубками из стекла или металла). Вакуумные солнечные коллекторы просты и недороги в эксплуатации. Специальные соединения конструкции позволяют заменять либо поворачивать трубки в заполненной находящейся под давлением установке.

Солнечный коллектор сокол конструкция, применение, технология изготовления

Назначение, область применения, конструкция, материалы и технология производства солнечного коллектора Сокол.

Солнечный коллектор  «Сокол».

Назначение, область применения коллектора.

Развитие производства в России и современные технологии позволили создать отечественные образцы солнечных коллекторов, не уступающих по своим характеристикам зарубежным аналогам.

Предлагаем отличный продукт на основе космических технологий — солнечный коллектор  «Сокол».

Солнечный коллектор  «Сокол» разработан и производится с 1990 года на российском оборонном предприятии Опытный Завод Машиностроения АО «ВПК «НПО машиностроения». В конструкции солнечного коллектора  «Сокол», используются современные утеплители и средства герметизации, которые постоянно модифицируется и улучшается.

Фото 1.  Опытный Завод Машиностроения АО «ВПК «НПО машиностроения». 

Плоский солнечный коллектор «Сокол» представляет собой специальный теплообменник, преобразующий энергию солнечного излучения в тепловую энергию и передающий ее теплоносителю – жидкости, движущейся внутри каналов поглощающей панели (абсорбера) коллектора.

Солнечные коллекторы являются основным элементом систем солнечного теплоснабжения или бытовых солнечных водонагревателей и в их составе используются для обеспечения горячей водой жилых зданий, промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектов.

Солнечный коллектор «Сокол» можно использовать для нагрева не только воды, но и других жидких теплоносителей, совместимых с материалом его поглощающей панели и применяемых в системах отопления, кондиционирования, хладоснабжения и промышленных технологических процессах.

Солнечный коллектор «Сокол-А» разработан с применением современных материалов и технологий. По своим характеристикам он соответствует уровню лучших зарубежных аналогов.

Фото 2 Солнечные коллекторы   «Сокол» на испытании в институте солнечной технике SPF Solartechnik в Швейцарии

Поглощающая панель коллектора «Сокол» выполнена из расположенных параллельно в одной плоскости десяти алюминиевых профилей в виде труб с плоскими рёбрами. Облучаемая солнечным излучением поверхность ребер имеет специальное оптическое селективное покрытие, которое снижает тепловые потери коллектора и увеличивает его теплопроизводительность на 20-25%.

Солнечный коллектор «Сокол-А» соответствует требованиям ГОСТ Р 51595-2000 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия» и основным требованиям стандартов большинства зарубежных стран.

Конструкция коллектора. Материалы и технологии.

Панель поглощающая (абсорбер) 

Основной элемент коллектора. Панель листотрубная выполнена из 10 отдельных труб с плоскими ребрами

Изоляция прозрачная.

В коллекторе используется однослойное прозрачное покрытие из закаленного стекла толщиной 4 мм. Для уплотнения стекла применяется П-образный профиль из атмосферостойкой EPDM резины.

Тепловая изоляция

Нижняя теплоизоляция представляет собой мат Rockwool из базальтового волокна толщиной 50 мм. покрытый со стороны поглощающей панели алюминиевой фольгой. 

 Корпус коллектора

Для этого коллектора специально разработаны два типа алюминиевых профилей (стенка и прижим стекла), которые покрываются стойкой и долговечной порошковой эмалью. В нижней части стенки корпуса имеется встроенное крепление для установки коллектора на монтажные опоры. Головки болтов М10 с размером «под ключ» 17 мм. вставляются в паз на боковой поверхности стенки и могут фиксироваться в любой точке периметра коллектора. Стекло устанавливается в корпус сверху на полки профиля и уплотняется прижимами без применения винтов. Замена поврежденного остекления при эксплуатации производится без демонтажа коллектора.

Купить солнечный коллектор «Сокол-Эффект-А» 

Купить солнечный коллектор «Сокол-Эффект-М» 

Остались вопросы? Напишите нам [email protected]

17009С

РАЗРАБОТКА АКТИВНОЙ КОНСТРУКЦИИ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА

Гизбрехт О. П. – студент группы Э-31, Брындин А. И. – студент группы 8Э-61, Белицын И. В. – к.п.н., доцент РФ, Алтайский край, г. Барнаул, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Солнечная энергетика – это один из самых быстро развивающихся альтернативных источников энергии в наше время. Данный источник имеет ряд преимуществ, которые в свою очередь позволяют говорить о перспективности в энергетике.

Основные преимущества:

• экологичность;
• возобновляемость;
• относительно не высокие вложения.

Солнечная энергия является бесплатной и повсеместной. При эксплуатации солнечных коллекторов не происходит вредных выбросов в живую природу. И сам солнечный коллектор полностью вторично перерабатывается.

В большей части России нет централизованного энергообеспечения, поэтому применение солнечных коллекторов и их систем является актуальным для населения.

Из-за постоянного роста цен на энергоресурсы в стране, непрерывное увеличение тарифов на электроэнергию, высокое экологическое воздействие на экологию традиционных источников энергии. Использование солнечных коллекторов становится все более актуальным. Из всех разработок, работающих на солнечной энергии имеющихся на сегодняшний день, солнечные коллекторы являются самыми эффективными устройствами. Назначение вакуумных солнечных коллекторов – это преобразование солнечной энергии в тепловую. На рисунке 1 представлены модели солнечных установок.

Рисунок 1 – Солнечные водонагревательные установки

Существует два основных типа солнечных коллекторов, это вакуумные трубчатые коллектора и плоские коллектора [1]. В нашей работе рассматривается установка-гибрид солнечного параболического концентратора и вакуумной трубки. В настоящее время, подобных конструкций в производстве для домашнего использования не существует, поэтому мы решили провести исследование в этом направлении.

На рисунке 2 представлено общее устройство модели:

• параболический концентратор – металлическая конструкция с отражающим слоем — 1 [2];
• опорная конструкция — жёсткая металлическая конструкция — 2;
• вакуумная тепловая трубка – тепловой приёмник — 3;
• солнечный трекер – система слежения за солнцем — 4;
• линейный актуатор – поворотный механизм — 5.

Рисунок 2 – Общее устройство модели

Управление конструкцией осуществляется посредством электронной платформы «Arduino».

Принятая к исполнению принципиальная схема представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Электрическая схема солнечного трекера.

На основе собранных данных была собрана демонстрационная модель системы слежения за солнцем, представленная на рисунке 4-5.

Рисунок 4 – Демонстрационная модель

Рисунок 5 — Демонстрационная модель

Основным достоинством нашей конструкции является большая эффективная рабочая площадь, которая поддерживается солнечным трекером, в отличии от классических солнечных коллекторов. При разработке солнечного трекера делается упор на снижение стоимости производства устройства, которое будет вполне пригодно для домашнего использования. Немаловажным фактором являлся подбор качественных и недорогих материалов для изготовления узлов и агрегатов данной установки.

Список использованных источников:

1. Альтернативная энергетика [Электронный ресурс] : Перспективы энергетики. – Электронные данные. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org Альтернативная энергетика (дата обращения 06.09.15).
2. Горячее водоснабжение на даче и в доме [Электронный ресурс] : Концентрирующий параболический солнечный коллектор. – Электронные данные. – Режим доступа: http://delaysam.ru/dachastroy/dachastroy56.html (дата обращения 22.09.15)

Солнечный коллектор: устройство, конструкция, монтаж

Солнечный коллектор – устройство, которое получает энергию от Солнца, преобразовывает ее в тепловую, которая передается по теплоносителю для обогрева дома, бассейна или используется для подогрева воды. Подогрев воды – одно из наиболее перспективных направлений в использовании солнечных коллекторов. Во-первых расход горячей воды остается практически неизменным в течении всего года. Во-вторых солнечный коллектор даже в холодные месяцы способен поднимать температуру воды на 50…60%, а в летние – на все 100%. В-третьих, в жаркие летние месяцы можно полностью отказаться от подогрева воды с иcпользованием газа или электроэнергии. Обогрев помещений необходим не круглый год, поэтому более рационально использовать солнечные коллекторы именно для подогрева воды, а в качестве дополнительного источника тепла коллекторы подключать лишь при низкой температуре.

Солнечный коллектор состоит из покрытого избирательного абсорбера (алюминиевых или медных пластинок или трубок), поглощающего солнечные лучи и преобразующего солнечную энергию в тепловую, размещенного в термоизолированном ящике с прозрачными стенками. Через абсорбер коллектора протекает теплоноситель (смесь воды и антифриза), который циркулирует между коллектором и резервуаром с горячей водой. Тепловая энергия посредствам насоса переносится из коллектора в резервуар. Для прозрачного покрытия солнечного коллектора используют безосколочное стекло, обладающее высоким коэффициентом пропуска солнечных лучей. Ко всему прозрачное покрытие коллектора способствует отводу тепла через процесс конвекции. Стекло вместе с корпусом защищает абсорбер от неблагоприятных погодных условий. Для корпусов применяют оцинкованную сталь или алюминий. На обратной стороне и стенках абсорбера размещают теплоизоляционный слой (минеральная вата, стекловата или пена из полиуретана), существенно сокращающий потери тепла.

Система солнечной установки на основе солнечного коллектора состоит из следующих элементов:
— расширительного бака;
— солнечного регулятора;
— датчиков температуры жидкости в коллекторе и резервуарах;
— системы подключения к холодной воде;
— циркуляционного насоса;
— водостока горячих вод.

Вакуумный солнечный коллектор. Устройство и принцип действия

Абсорбер в солнечном коллекторе – металлические трубки или пластины, покрытые специальным напылением черного цвета. Как известно, черный цвет лучше всего поглощает солнечные лучи. Абсорбер для большей эффективности покрывается никелем, черным никелем, хромом или слоем, состоящим из титана-оксида-нитрида.

Конструкция солнечных коллекторов

Конструктивно выделяют два вида солнечных коллекторов: плоские и трубные. В плоских коллекторах абсорбер изготавливается из плоских пластин, внутри которых циркулирует теплообменник. В трубных коллекторах абсорбер представляет собой трубки, размещенные в стеклянных вакуумных ударопрочных трубках или закрытых стеклом. В процессе нагрева жидкость внутри трубок испаряется, а образовавшийся пар, поднимаясь по тепловым трубам, подает в сборную трубу через теплообменник.

Установка и монтаж солнечных коллекторов

Как уже отмечалось, солнечная энергия абсолютно бесплатна. Однако оборудование, которое способно преобразовать энергию Солнца, все еще достаточно дорогое. Не смотря на это, солнечные коллекторы все чаще можно встретить на крышах жилых домов. Причина этого — мизерные затраты на работу и обслуживание насоса для теплообменника при эксплуатации. Кроме того, такая энергия абсолютно безопасна для окружающей среды из-за отсутствия вредных выбросов и практически неиссякаема. Простота конструкции солнечного коллектора позволяет создать такую систему из подручных средств.

Солнечный коллектор для обогрева своими руками

расчет воздушной конструкции, вакуумный вариант для использования зимой своими руками, отзывы

На сегодняшний день появилась возможность сократить расходы на отопление. Все это реально благодаря солнечным коллекторам, которые представляют собой уникальные системы, позволяющие бесплатно получать экологический источник чистой энергии. Их можно активно использовать как для отопления небольших дачных домиков, так и коттеджей.

Особенности и устройство

Солнечный коллектор – это современная конструкция, которая способна накапливать солнечную энергию и превращать ее в источник тепла. Устройство изготавливают из металлических пластин, покрашенных в черный цвет и заключенных в корпус из стекла. Такое оборудование можно устанавливать для отопления дома, а также для обеспечения систем горячей водой.

Благодаря установке коллектора можно экономить от 30 до 60% энергоносителей, а это означает, что расходы на электричество и газ значительно снижаются и эксплуатация дома удешевляется. Подключенное в систему теплоснабжения устройство играет роль теплового носителя, который круглосуточно поддерживает температуру согласно санитарным и технологическим нормам.

Конструкция солнечного коллектора представлена в виде системы трубок, последовательно соединенных между собой и имеющих входную и выходную магистраль. По трубкам может проходить как воздушный поток, так и техническая вода. Во время циркуляции вещества наблюдается его переход из одного агрегатного состояния в другое, в результате чего происходит выделение тепла. То есть, принцип действия батареи заключается в накоплении энергии фотоэлементами, ее концентрации и передачи.

Помимо трубок, конструкция также имеет специальный бак, где хранится вода в нагретом состоянии. Чтобы жидкость не охлаждалась, бак дополнительно обшивают качественной теплоизоляцией. Кроме это, в емкость монтируют и дублирующий электронагреватель, который автоматически включается в зимний период или при пасмурной погоде. Корпус коллектора, как правило, изготавливают из стекла, так как использование полимерных материалов не рекомендуется. Они обладают высоким показателем теплового расширения, неустойчивы к лучам ультрафиолета, что может привести к разгерметизации корпуса.

В качестве теплоносителя обычно выбирают воду, но если планируется круглогодичная эксплуатация системы, то нужно до наступления холодов техническую жидкость заменять антифризом. Часто теплоносителем в коллекторах выступает и воздух, каналы для его перемещения делают из профлистов.

Для отопления небольших строений применяют обычные конструкции, для автономных и централизованных систем в схему добавляют не только нагревательное оборудование, но и циркуляционные насосы.

К главным преимуществам солнечных агрегатов можно отнести:

• возможность бесперебойного обогрева зданий круглый год;
• долгий срок эксплуатации, достигающий 30 лет;
• экономия энергоресурсов;
• возможность одновременного обогрева помещений, теплиц, пристроек и бассейнов;
• отсутствие отходов;
• быстрый монтаж;
• оптимизация под индивидуальные проекты.

Что же касается недостатков, то их немного:

• высокая стоимость установки;
• низкая эффективность работы устройства, обусловленная климатическими условиями и особенностями ландшафта;
• принудительная циркуляция воды.

Виды

Существует множество видов солнечных коллекторов, все они отличаются между собой особенностью конструкций, но одинаково выполняют роль теплоносителя и используются для обогрева домов. На сегодняшний день различают следующие типы устройств:

Плоский

Считается самым распространенным вариантом для установки в современных системах гелиоэнергетики. Он состоит из абсорбера, термоизолирующего покрытия, прозрачного слоя и теплоносительной трубки. Популярность данного вида обусловлена простотой монтажа и доступной ценой, но в отличие от других коллекторов для него характерно небольшое КПД. Внешне устройство имеет вид стальной или алюминиевой панели площадью от 2 до 2,5 м2.

Снаружи панель покрывают листами из гелиостекла, это позволяет максимально поглощать энергию солнца и поставлять ее с минимальными потерями. Под стеклом располагается специальный поглотитель в виде плоской трубки, его изготавливают из сплавов алюминия или меди. Трубка оснащена радиальным оребрением, поэтому во время рабочего процесса наблюдается высокий КПД.

Плоский коллектор годится только для обогрева частного дома, так как с его помощью зимой можно отопить небольшую площадь.

Вакуумный

Это дорогостоящее устройство, которое имеет отличные эксплуатационные характеристики. Батарея представляет собой ряд, состоящий из парных стеклянных трубок. Из пространства между ними откачивают воздух и выполняют спайку, образованный таким образом вакуум служит хорошим теплоизолятором и снижает потери энергии. Верхние трубки вставляются в распределитель, где циркулирует сам теплоноситель. В зависимости от распределения тепла такие коллекторы бывают прямоточные и с плоской трубкой.

Воздушный

Данное устройство предназначено для топки зданий за счет нагрева воздушных масс. Потоки воздуха поступают в систему через поглотитель и естественным путем или принудительно поставляются в теплообменник. Недостатком коллектора считается то, что в отличие от жидких видов, в нем тепло проводится не так хорошо. Но подобная система характеризуется несложной конструкцией и легко управляется. Если соблюдать все правила эксплуатации, то коллектор исправно прослужит более 20 лет.

Водяной

Внешне имеет сходство с вакуумным устройством, но в его конструкции в трубках под определенным углом располагается жидкость. Трубки присоединяются к баку, из которого горячая вода передается в систему и возвращается. Главным достоинством агрегата является, то что для его монтажа не нужно применять дополнительные элементы. Некоторые модели таких коллекторов могут также работать и без бака. Во время эксплуатации водяного коллектора при температурном режиме ниже -10 С необходимо заливать незамерзающую жидкость.

Как выбрать?

Перед тем как заняться установкой солнечного коллектора, необходимо правильно подобрать соответствующий вид устройства, так как от этого будет зависеть эффективность его работы и коэффициент теплообмена.

Поэтому, отправляясь за покупкой, стоит учесть следующие нюансы:

• Лучше всего отдавать предпочтение плоским моделям, так как они считаются самыми прочными и имеют положительные отзывы потребителей. Их агрегат способен нагревать воду свыше 40 С, но если батарея выходит из строя, то придется заменять всю систему адсорбции. Вакуумные виды устройств характеризуются быстрым повреждениям трубок и очень чувствительны к внешним воздействиям. Но стоит заметить, что ремонт изделия выполняется просто, так как заменяется только конкретная колба. Зато в зимнее время года такие батареи хорошо поддерживают температуру, в этом их плюс.

• Что же касается воздушных коллекторов, то они редко выходят из строя и не требуют ремонта. Кроме этого, они надежно выдерживают низкую температуру и долговечны в использовании. Единственное, что подобные устройства не подойдут для отопления больших зданий, так как слабо прогревают помещения.
• Немаловажным показателем для выбора является и размер трубок, от которого зависит эффективность преобразования солнечной энергии. Трубка мелкого диаметра снижает процесс выработки энергии. Поэтому желательно приобретать коллекторы, имеющие в конструкции несколько больших колб шириной до 6 см и длиной до 2 м.

• Особое внимание следует уделять мощности батарей. Системы с низким сохранением тепла нельзя использовать при низкой температуре. В частности, это касается моделей с водяной тепло подачей.
• Монтаж установки должен выполняться после предварительного проектирования. Для этого нужно знать размеры батарей, которые бы подходили для крепления к крыше.
• Можно покупать коллекторы как с вертикальным, так и горизонтальным расположением. При этом вертикальные конструкции издавать от проблем с очисткой от снега, но их КПД будет низким. Чтобы этого избежать, нужно до установки предусмотреть место для исхода осадков.

Расчет

Солнечная энергия является идеальным источником для отопления зданий. Чтобы ее максимально преобразить в тепло, необходимо точно рассчитать затраты ресурсов и мощность установок, учитывая тип агрегата и его месторасположение. В первую очередь нужно знать какое количество энергии попадает на поверхность панели. Как известно, на 1 м2 поверхности попадает около 1367 Вт солнечной энергии, но проходя сквозь слои атмосферы, мощность теряется до 500 Вт. В связи с этим для средних расчетов берется условное значение 800 Вт.

Солнечный коллектор является рабочей станцией, основание которой защищено антибликовым покрытием и стеклом. Благодаря тому, что основание покрыто черной краской, наблюдается 100% поглощение энергии. Так как в состав батарей входит теплоизоляция, то можно определить коэффициент потери тепла. Для каждого материала он разный, но изоляцию коллекторов часто выполняют на основе минваты, поэтому для простых расчетов берется показатель 0,045. Предполагая то, что температурная разница между внешним и внутренним слоем теплоизоляции не превышает 50 С, потери энергии составят: 0,045: 0,1 × 50 = 22,5 Вт.

Аналогичны будут потери и для труб, поэтому суммарный показатель получится 45 Вт. Поэтому чтобы нагреть 1 л воды на 1 С, потребуется мощность энергии в 1,16 Вт. Определив эти величины, можно легко узнать объем жидкости, который можно нагреть батареей с рабочей площадью 1 м2 за один час: 800: 1,16 = 689,65. Чтобы улучшить теплопередачу, агрегаты лучше всего размещать с ориентацией на юг.

Важным расчетом считается, и рабочая площадь батареи. Для этого количество нужной энергии нужно разделить на 800 Вт и получится искомое значение. Но стоит обратить внимание, что данный показатель соответствует площади агрегата, рассчитанного на обслуживание одного человека. Поэтому если в доме проживает семья, состоящая из двух, трех и более человек, то значение следует увеличить.

Изготовление

Солнечный агрегат можно не только самостоятельно установить, но и изготовить своими руками. Самодельный коллектор может быть как вакуумный, так и воздушный или плоский.

Что выполнить монтаж устройства понадобятся следующих элементы:

• датчики температурного режима;
• переходники ведущие к системе подключения холодного и горячего водоснабжения;
• водосток для выхода горячей воды;
• регулятор солнечной энергии;
• емкость или бак;
• циркуляционный насос;
• датчики контроля подогрева воды.

Подключение и сборку всех составляющих конструкции следует выполнять согласно проекту, придерживаясь инструкции:

• На первом этапе определяются с размерами будущего коллектора. Для этого точно рассчитывают площадь его размещения и интенсивность солнечной энергии. Важно обратить внимание на расположение здания, где планируется установка системы, в зависимости от полученных показателей выбирается материал для нагревательного контура.

• Следующим шагом будет сборка устройства, во время которой изготавливается короб, радиатор, накопитель и теплообменник. Коробку можно сделать из обрезной доски толщиной не менее 5 мм, ее днище укрывают оцинкованный листом и дополнительно укладывают пенопласт, который послужит хорошей теплоизоляцией. Для теплообменника используют трубки длиной 1,6 м, их должно быть 15 шт., их собирают в цельную конструкцию, соблюдая шаг 4,5 см. Чтобы улучшить поглощение лучей, дно коробки красят в темный цвет, затем устанавливают в качестве перегородок стекло и стыки герметизируют.

В качестве основного накопителя можно применять как сосуд объемом от 140 до 380 л, так и другие сваренные конструкции или бочки. Емкость должна быть хорошо изолирована от потерь тепла, поэтому аванкамеру оборудуют дополнительно шарнирным краном. Вначале монтируется аванкамера и тепло накопитель, затем полученную конструкцию размещают под углом 35–40.

Между накопителем и теплообменником делается расстояние в 70 см, иначе потери тепловой энергии будут значительны.

• Завершающим этапом считается ввод оборудования в эксплуатацию. Полученную конструкцию присоединяют к водопроводу. Для этого требуется запорная арматура. Устройство заполняют водой и присоединяют аванкамеру. Затем важно проверить уровень жидкости и отсутствие утечек воды. После контроля, самодельный коллектор готов к эксплуатации.

Советы

Установка солнечных систем позволяет экономить электроэнергию, обеспечивая дом «бесплатным» теплом и горячей водой. Но выбирая данный вид устройств, нужно помнить, что эффективность системы будет значительно снижаться вечером и утром, так как основной объем энергии вырабатывается при ярком солнце. Чтобы солнечные коллекторы надежно прослужили много лет и бесперебойно обеспечивали здание теплом, при их выборе и монтаже необходимо учесть следующие рекомендации специалистов:

• Покупая батарею, следует уточнить можно ли ее эксплуатировать зимой и какая мощность системы.

• Если коллектор собирается самостоятельно, то нижнюю часть его теплообменника нужно обеспечивать денежными вентилями и теплоизоляцией, которая позволить сохранить качество разогретой жидкости. При этом трубы можно также обмотать плотной тканью или полиэтиленом.
• В конструкции должен обязательно присутствовать вентиль, предотвращающий циркуляцию от теплоносителя. Если наблюдается резкое снижение температуры, то вентиль нужно закрыть.
• Перед тем как соорудить солнечные установки, следует сделать детальный расчет площади батарей, а также максимальную выработку энергии.

О том, как сделать солнечный коллектор своими руками из алюминиевых банок, смотрите в следующем видео.

Солнечный коллектор. Расчет окупаемости.

Современное развитое общество трудно представить без использования альтернативных источников энергии. Япония, Австралия, США, Греция и другие, экономически развитые страны уже давно активно используют солнечную энергию при конструировании комбинированных котельных установок, а также для нагрева воды. На сегодняшний день использование в Европе солнечных коллекторов – это уже не призрачная перспектива, а реальное настоящее. Учитывая, нестабильность макроэкономической среды, стоимость традиционных видов топлива и электроэнергии будет возрастать. Следовательно, установка гелиосистемы — это надежные инвестиции в будущее.

Популярным заблуждением является мнение о том, что солнечные водонагреватели реально использовать лишь в теплое время года, ведь достижения научно-технического прогресса позволяют использовать энергию Солнца даже зимой.

Как показывает практика, благоприятные климатические условия в сфере использования альтернативных источников энергии играют менее важную роль, чем социально-экономические. Ярким тому примером можно назвать Кипр, где площадь установленных гелиосистем на душу населения является одной из наибольших в Европе. Данный успех объясняется принятым в государстве благоприятным законодательством. Грамотная законодательная база в поддержку широкого использования солнечной энергии существует также и в Израиле. Практически во всех новых домах Израиля и Кипра установлены солнечные водонагреватели.

Солнечный коллектор или гелиосистема представляет собой конструкцию для сбора энергии Солнца, переносимой видимыми лучами света и ближним инфракрасным излучением. И даже в пасмурную погоду солнечный коллектор будет функционировать, так как поглощает солнечную энергию через облака, однако, при необходимости, система способна автоматически переключится на традиционные источники энергии.

Существуют солнечные коллекторы разных конструкций, в зависимости от сферы их применения. Сегодня рынок предлагает множество моделей коллекторов. Условно существует несколько классификаций. Например, в зависимости от температуры, которую дают коллекторы, различают следующие их виды:

— низкотемпературные — вырабатывают низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия, применяются в основном для подогрева воды в бассейнах;

— среднетемпературные коллекторы, производящие высоко- и среднепотенциальное тепло (60-80 С), используются для нагревания воды в жилых массивах;

— высокотемпературные коллекторы — параболические тарелки, используемые в основном электрогенерирующими предприятиями, производящими электричество для электросетей.

Наиболее распространенными типами солнечных коллекторов можно назвать вакуумные и плоскопанельные.

Особенностью вакуумных коллекторов является использование вакуума в качестве достаточно эффективного теплоизолятора. Вакуум поддерживается между внешним стеклянным покрытием и теплопоглощающим слоем. Это минимизирует потери тепла и снижает зависимость КПД гелиосистемы от разности между температурой коллектора и температурой окружающей среды.

Конструктивно вакуумные коллекторы могут быть:

— трубчатыми, которые состоят из герметичных труб;

— плоскими, вакуум в которых поддерживается при помощи насосов.

Трубчатые вакуумные коллекторы являются более распространенными. Для них характерен так называемый «зеркальный эффект», т.е. минимизация зависимости теплоотдачи коллектора от высоты, на которой находится Солнце. Это содействует выравниванию тепловой мощности трубчатого коллектора на протяжении всего года. Возможно повышение температур теплоносителя до 250—300 °C при условии ограничения разбора тепла.

Вакуумные солнечные коллекторы являются довольно интересным высокотехнологичным видом гелиосистем в техническом отношении.

Плоскопанельные солнечные коллекторы — более распространенный вид коллекторов. Следует отметить, что пройдя ряд научно-технических усовершенствований, коллекторы данного типа, вероятно, практически достигли максимальных показателей в плане эффективности, срока эксплуатации и стоимости.

В основе работы плоских солнечных коллекторов лежит парниковый эффект: солнечный свет, попадающий на поверхность панельного коллектора, полностью пропускается стеклом. В качестве верхнего прозрачного слоя используется обычное или закаленное стекло, также может использоваться поликарбонат, ударопрочное стекло, стекло с низким содержание железа. Передачу теплоты к теплоносителю осуществляют алюминиевые или медные элементы. Отвод теплоты осуществляется с помощью воды или раствора незамерзающей жидкости.

Плоский солнечный коллектор — достаточно простое устройство. Покрытие, являющееся наиболее высокотехнологичным элементом во всей конструкции, должно поглощать большую часть энергии солнечных лучей, излучая при нагреве в инфракрасном спектре минимально возможную часть поглощенной энергии. При отсутствии разбора тепла плоские коллекторы нагревают воду до 190 °C.

В настоящий момент, наиболее перспективными для России являются плоскопанельные солнечные коллекторы горячего водоснабжения, т.к. имеют четыре неоспоримых преимущества: всесезонность, простоту, надежность конструкции при относительно невысокой цене и, несомненно, срок службы — 50 лет в сравнении с 20-30 годами работы вакуумных. Необходимо также акцентировать внимание на том факте, что срок окупаемости вложенных в гелиосистему средств, зависит от цен на ископаемые энергоносители. В европейских странах обычно срок окупаемости составляет менее 10 лет, в США – 4. И, конечно же, основное преимущество использования солнечной энергии — экологическая чистота и неограниченность

Оценка конструкций солнечных коллекторов со встроенным накопителем тепловой энергии со скрытой теплотой: обзор

Солнечная тепловая энергия считается наиболее перспективной среди других возобновляемых источников энергии из-за ее чистоты и изобилия во многих частях мира (Panwar et al., 2011). Солнечный тепловой коллектор является основным компонентом любого солнечного теплового приложения. Он поглощает поступающее солнечное излучение, преобразует его в тепло и передает тепло рабочей жидкости (обычно воздуху, воде или маслу), протекающей через него (Kalogirou, 2004).Солнечное отопление не является новой технологией, но все чаще применяются передовые методы увеличения диапазона солнечной абсорбции и выходной температуры.

Отопление с помощью солнечной тепловой энергии достигается с помощью различных типов солнечных коллекторов (плоские пластины, вакуумные трубы и параболические желоба), из которых плоские коллекторы являются наиболее распространенными для применения при низких температурах (323–343K). Поэтому в настоящем обзоре основное внимание уделяется коллекторам с плоскими пластинами. Для более высоких требований к температуре рабочей жидкости на выходе также используются вакуумные трубчатые или параболические желобные коллекторы; но они дороги и имеют длительный срок окупаемости по сравнению с плоскими коллекторами (Leckner and Zmeureanu, 2011).Тем не менее, требования к выходной температуре для данного приложения определяют тип используемого коллектора.

Прерывистый характер солнечной энергии требует использования аккумулирования тепловой энергии для увеличения количества часов работы систем с солнечным приводом. Аккумулирование явного тепла, аккумулирование скрытого тепла и термохимическое/сорбционное аккумулирование тепла являются обычными формами аккумулирования тепловой энергии, причем аккумулирование явного тепла является наиболее зрелым (Zhang et al., 2016). Аккумулирование скрытой тепловой энергии для солнечных установок привлекает все больше внимания из-за своей компактности, высокой плотности накопления энергии и почти постоянной температуры (Mohamed et al. , 2016 г., Салунхе и Джая Кришна, 2017 г., Шарма и др., 2009 г.). PCM использовался для хранения скрытой тепловой энергии, рассматривая хранение как отдельный объект между источником энергии (например, солнечной) и принимающей системой или конечным пользователем, как сообщается в литературе (Jegadheeswaran and Pohekar, 2009, Riffat et al., 2013). , Sharma and Sagara, 2005, Zalba et al., 2003) (рис. 1). Кроме того, недавно появилась еще одна концепция интеграции ПКМ с солнечным коллектором как единого компонента. Было проведено множество исследований, как экспериментальных, так и численных, с использованием ИКМ, особенно в плоских пластинах, вакуумных трубках и фотогальванических/тепловых (PV/T) коллекторах.Pandey and Chaurasiya, 2017, Sharif et al., 2015 представили обзоры солнечных тепловых коллекторов и посвятили разделы прогрессу конфигурации коллектор-PCM. Однако, насколько известно авторам, не хватает обзорной работы, посвященной интегрированным системам солнечного коллектора-PCM.

В этом документе рассматривается недавний прогресс в области интегрированных систем коллектор-ИКМ с учетом различных типов солнечных тепловых коллекторов. Кроме того, рассмотрены текущие исследовательские работы по использованию наночастиц в интегрированном солнечном коллекторе-PCM.Этот документ послужит источником полезной информации и отправной точкой для будущих исследований в этой области.

Проектирование сетей солнечных коллекторов для промышленного применения

Основные моменты

•

представил.

•

Структура сети, представленная последовательно-параллельным расположением коллекторов.

•

Расчетный подход основан на теплогидравлической модели.

•

Сеть коллекторов определяется исходя из тепловых и гидравлических нужд.

Abstract

Проектирование и выбор блоков коллекторов солнечной энергии для тепловых применений требует соблюдения тепловых и гидравлических требований. С термической стороны рабочая жидкость должна обеспечивать тепловую нагрузку процесса при заданной температуре, а с гидравлической стороны жидкость должна протекать по системе, испытывающей перепад давления, находящийся в заданных пределах. В случае солнечных коллекторов рабочим телом, используемым для передачи тепла процессу либо в открытом, либо в закрытом контуре, является вода. Солнечный коллектор можно рассматривать как теплообменник определенного типа, а набор солнечных коллекторов, необходимых для конкретного применения, как сеть теплообменников. В этой работе общее расположение солнечных коллекторов, образующих общую площадь поверхности коллектора, называется сетью солнечных коллекторов (NSC). NSC используется в крупномасштабных системах отопления зданий или в производственных процессах.Такая сеть коллекционеров может представлять собой последовательное, параллельное или любое их сочетание. В отличие от бытовых применений, где вода течет через теплообменник в условиях естественной конвекции, в крупномасштабных применениях поток воды принудительно создается с помощью насосной системы. В этом документе представлены инструменты для проектирования и выбора наиболее подходящей схемы сети для данного приложения в зависимости от заданного перепада давления для потока жидкости, требуемой температуры и тепловой нагрузки. Представлена ​​теплогидравлическая модель для сетей солнечных коллекторов, а ее решение графически отображено с зависимостью длины теплообменника от количества параллельных массивов. Тепловая и гидравлическая модели решаются отдельно, так что два пространства решений представлены на одном графике. Тепловое пространство представляет собой тепловую длину, необходимую для удовлетворения заданной тепловой нагрузки, как функцию количества параллельных массивов. Гидравлическое пространство, с другой стороны, представляет собой гидравлическую длину, соответствующую заданному перепаду давления, в зависимости от количества параллельных массивов.Точка, где встречаются два пространства, определяет структуру сети, которая выполняет требуемую тепловую нагрузку с приемлемым перепадом давления.

Ключевые слова

Ключевые слова

Ключевые слова

Солнечные коллекционные сети

Термогидравлическая модель

Тепловой длины

Гидравлическая длина

Дизайн пространства

Солнечная энергия

Рекомендуемая Солнечная цитата

Рекомендуемое Средственные изделия (0)

Copyright © 2014 Elsevier Ltd. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Новая конструкция солнечного коллектора двойного назначения | База данных исследовательских проектов | Исследовательский проект грантополучателя | ОРД

Новая конструкция солнечного коллектора двойного назначения

Описание:

В этом предлагаемом коллекторе «окно» с двойным остеклением будет использоваться поверх FPSC для замены обычного одинарного стеклянного покрытия, которое позволяет воде или другой жидкости, протекающей в пространстве между двумя стеклами, терять свое тепло. как за счет длинноволнового излучения, так и за счет конвекции.Этот исследовательский проект направлен на использование нового типа коллекторов в качестве альтернативы для замены градирен и, таким образом, имеет потенциал для уменьшения или даже предотвращения негативных последствий градирен, таких как ненужные отходы конденсаторной воды, городское теплоснабжение. эффект острова, угроза болезни легионеров и т. д. Таким образом, предлагаемый проект может улучшить здоровье человека (Люди), стимулировать использование возобновляемых источников энергии, защитить окружающую среду за счет эффективного и экономичного использования воды и энергии, сократить сопутствующие выбросы парниковых газов. (Планета), а также повысить экономическую конкурентоспособность этого нового типа коллектора на рынке благодаря его двойной функции нагрева и охлаждения в одном устройстве (Процветание).Этот исследовательский проект будет курироваться тремя профессорами и одним отраслевым экспертом. Сотрудничество между академическими кругами и промышленностью на уровне руководителей позволяет членам студенческой команды получать значительные знания, опыт и знания, необходимые для завершения этого исследовательского проекта. Кроме того, в результате этого проекта будет разработан рабочий прототип, который затем будет использоваться в качестве примера на курсе доктора Ю (PI) для обучения студентов концепциям и принципам устойчивого развития, а затем для поощрения их участия в практике устойчивого развития.

Цель:

Плоский солнечный коллектор (FPSC) — широко используемое устройство для сбора солнечной энергии. FPSC обычно покрыт сверху однослойным стеклом, известным как застекленный FPSC, или открыт с поглощающей пластиной, выходящей наружу, известной как неглазурованный FPSC, который обычно используется для обогрева плавательных бассейнов. Обычный застекленный FPSC обычно используется только для сбора тепла; в то время как известно, что неглазурованный FPSC способен не только собирать тепло, но и холод ночью.Однако применение обычного неглазурованного FPSC для обогрева ограничено низкими перепадами температур из-за отсутствия стеклянного покрытия и изоляционных материалов. Кроме того, он неэффективен при сборе холода, так как его конструкция и материалы по-прежнему подчиняются его первоначальной концепции проектирования, то есть сбору тепла. Таким образом, целью этого проекта является разработка инновационного дизайна застекленного солнечного коллектора двойного назначения, способного использовать устойчивую энергию, т. е.солнечное тепло и охлаждение ночного неба для сбора тепла и холода. Этот новый коллектор не только сохранит функциональность обычного остекленного FPSC для сбора тепла, но также будет иметь дополнительную возможность сбора холода с повышенной эффективностью и экономичностью по сравнению с неглазурованными коллекторами.

Ожидаемые результаты:

Ожидаемый результат исследования в основном включает успешную разработку полнофункционального лабораторного прототипа предлагаемого коллектора для сбора тепла и холода в реальных условиях, когда этот коллектор подвергается воздействию солнечного излучения и холодного ночного неба.Кроме того, результаты технико-экономического анализа и производительности этого солнечного коллектора двойного назначения будут продемонстрированы и использованы для измерения успеха этого проекта, который, как ожидается, превзойдет обычные остекленные и неглазурованные FPSC как для сбора тепла, так и для сбора холода.

Дополнительные ключевые слова:

Прогресс и окончательные отчеты:

Разработка программы проектирования плоского солнечного коллектора

Аннотация

Плоские солнечные коллекторы имеют потенциальное применение в системах HVAC, промышленный тепловой процесс и солнечная энергетика.Плоские коллекторы являются наиболее экономичны и популярны в системе солнечного отопления для бытовых нужд, поскольку они постоянно фиксируются в положениях, имеют простую конструкцию и требуют минимального обслуживания. Проектирование солнечной энергетической системы, как правило, направлено на получение максимального эффективность при минимальных затратах. Целью данной работы является разработка инструментария для проектирования. прогнозирование производительности плоского солнечного коллектора. Был проведен очень подробный термический анализ плоского солнечного коллектора. спрогнозировать тепловые характеристики.Анализ основан на устоявшейся теории о плоский солнечный коллектор: поглощение излучения, потери тепла коллектором и распределение температуры на плите. Расчет полезной энергии и предельных теплопотерь от коллектора на основе площади апертуры, чтобы сделать более точный прогноз производительность коллектора. Радиационный метод был использован для получения излучения составляющая верхних теплопотерь из системы покрытия общего коллектора.Корреляция для теплопередача естественной конвекции между крышками и между плитой и крышкой был выбран с учетом низкой электропроводности пластмасс. полусерый принята радиационная модель для определения оптических свойств крышки коллектора и пластина абсорбера. Результаты сравнения расчетов инструмента проектирования с экспериментами показали хорошие результаты. соглашение. Испытания коллектора проводились Центром солнечной энергии Флориды. Расчеты, основанные на информации из протоколов испытаний, позволили точно спрогнозировать Тепловые характеристики плоских солнечных коллекторов.На основе анализа разработана программа проектирования плоских солнечных коллекторов (CoDePro). были разработаны. Программа устроена таким образом, что подробная информация о коллектор может быть указан с помощью простого в использовании графического интерфейса. Скомпилированные версии CoDePro был распространен среди инженеров-солнечников с уровня разработки, и он были изменены в соответствии с их предложениями. CoDePro имеет возможность оценить производительность коллектора с высокой точностью и может использоваться в качестве инструмента проектирования для плоских солнечные коллекторы.

Субъект

Диссертация (MS) – Университет Висконсина – Мэдисон, 1999.

Университет Висконсина, Мэдисон. Инженерный колледж.

Диссертации академического машиностроения.

Описание

Под руководством профессоров Уильяма Бекмана и Джона Митчелла; 173 стр.

Цитата

Ку, Дж. М. (1999). Разработка программы проектирования плоского солнечного коллектора. Магистерская диссертация, Университет Висконсин-Мэдисон.

Солнечные водонагреватели | Министерство энергетики

Солнечные водонагреватели, иногда называемые солнечными системами горячего водоснабжения, могут быть экономичным способом получения горячей воды для вашего дома. Их можно использовать в любом климате, а используемое ими топливо — солнечный свет — бесплатно.

Как они работают

Солнечные водонагревательные системы включают резервуары для хранения и солнечные коллекторы. Солнечные водонагреватели бывают двух типов: активные, в которых есть циркуляционные насосы и средства управления, и пассивные, в которых их нет.

Активные солнечные водонагревательные системы

Существует два типа активных солнечных водонагревательных систем:

• Системы с прямой циркуляцией
  Насосы перекачивают бытовую воду через коллекторы в дом. Они хорошо работают в климате, где редко бывают заморозки.
• Системы косвенной циркуляции
  Насосы обеспечивают циркуляцию незамерзающей жидкости-теплоносителя через коллекторы и теплообменник. Это нагревает воду, которая затем поступает в дом.Они популярны в климате, склонном к отрицательным температурам.

Пассивные солнечные водонагревательные системы

Пассивные солнечные водонагревательные системы, как правило, дешевле, чем активные системы, но обычно они не так эффективны. Однако пассивные системы могут быть более надежными и могут прослужить дольше. Существует два основных типа пассивных систем:

• Пассивные системы со встроенным коллектором-аккумулятором
  Они состоят из накопительного бака, покрытого прозрачным материалом, позволяющим солнцу нагревать воду.Затем вода из резервуара поступает в водопроводную систему. Они лучше всего работают в районах, где температура редко опускается ниже нуля. Они также хорошо работают в домохозяйствах со значительными дневными и вечерними потребностями в горячей воде.
• Термосифонные системы
  Вода нагревается в коллекторе на крыше, а затем течет по водопроводной системе при открытии крана горячей воды. Большинство этих систем имеют емкость 40 галлонов.

Резервуары для хранения и солнечные коллекторы

Для большинства солнечных водонагревателей требуется хорошо изолированный накопительный бак.Солнечные аккумулирующие баки имеют дополнительный выход и вход, соединенные с коллектором и от него. В системах с двумя баками солнечный водонагреватель предварительно нагревает воду перед тем, как она попадет в обычный водонагреватель. В системах с одним баком резервный нагреватель объединен с солнечным аккумулятором в одном баке.

В жилых помещениях используются три типа солнечных коллекторов:

• Плоский коллектор
  Плоские остекленные коллекторы представляют собой изолированные, защищенные от атмосферных воздействий коробки, которые содержат темную поглощающую пластину под одной или несколькими стеклянными или пластиковыми (полимерными) крышками. Неглазурованные плоские коллекторы, которые обычно используются для обогрева бассейнов за счет солнечной энергии, имеют темную абсорбирующую пластину, изготовленную из металла или полимера, без крышки или кожуха.
• Встроенные коллекторно-накопительные системы
  Также известные как системы ICS или периодического действия , они имеют один или несколько черных резервуаров или трубок в изолированной застекленной коробке. Холодная вода сначала проходит через солнечный коллектор, который предварительно нагревает воду. Затем вода поступает в обычный резервный водонагреватель, обеспечивая надежный источник горячей воды.Их следует устанавливать только в условиях мягкого морозного климата, поскольку наружные трубы могут замерзнуть в суровую холодную погоду.
• Солнечные коллекторы с вакуумными трубками
  Имеют параллельные ряды прозрачных стеклянных трубок. Каждая трубка содержит стеклянную внешнюю трубку и металлическую поглотительную трубку, прикрепленную к ребру. Покрытие ребра поглощает солнечную энергию, но препятствует тепловым потерям. Эти коллекторы чаще используются в коммерческих целях в США.

Солнечные водонагревательные системы почти всегда требуют резервной системы на случай пасмурных дней и периодов повышенного спроса.Обычные накопительные водонагреватели обычно обеспечивают резерв и могут уже быть частью комплекта солнечной системы. Резервная система также может быть частью солнечного коллектора, например, резервуары на крыше с термосифонными системами. Поскольку система хранения со встроенным коллектором уже хранит горячую воду в дополнение к сбору солнечного тепла, она может быть укомплектована безрезервуарным водонагревателем или водонагревателем по потребности для резервного копирования.

Выбор солнечного водонагревателя

Прежде чем купить и установить солнечную систему нагрева воды, вы должны сделать следующее:

Также разберитесь с различными компонентами, необходимыми для систем солнечного нагрева воды, включая следующие:

Установка и обслуживание системы

Правильная установка солнечных водонагревателей зависит от многих факторов. Эти факторы включают солнечные ресурсы, климат, требования местных строительных норм и правил и вопросы безопасности; поэтому лучше всего, чтобы вашу систему устанавливал квалифицированный подрядчик по солнечным тепловым системам.

Правильное обслуживание системы после установки обеспечит ее бесперебойную работу. Пассивные системы не требуют особого обслуживания. Для активных систем обсудите требования к обслуживанию с поставщиком системы и обратитесь к руководству пользователя системы. Сантехника и другие обычные компоненты водяного отопления требуют такого же обслуживания, как и обычные системы.Остекление может нуждаться в очистке в сухом климате, когда дождевая вода не обеспечивает естественного ополаскивания.

Регулярное техническое обслуживание простых систем может проводиться не реже, чем раз в 3–5 лет, предпочтительно подрядчиком, работающим с солнечными батареями. Системы с электрическими компонентами обычно требуют замены детали или двух через 10 лет. Узнайте больше о техническом обслуживании и ремонте систем солнечного нагрева воды.

При отборе потенциальных подрядчиков для установки и/или обслуживания задайте следующие вопросы:

• Есть ли у вашей компании опыт установки и обслуживания систем солнечного нагрева воды?
  Выберите компанию, имеющую опыт установки нужного вам типа системы и обслуживания выбранных вами приложений.
• Сколько лет ваша компания имеет опыт установки и обслуживания систем солнечного отопления?
  Чем больше опыта, тем лучше. Запросите список прошлых клиентов, которые могут предоставить рекомендации.
• Имеет ли ваша компания лицензию или сертификат?
  В некоторых штатах требуется действующая лицензия сантехника и/или подрядчика по строительству солнечных батарей. Свяжитесь с вашим городом и округом для получения дополнительной информации. Подтвердите лицензирование в совете по лицензированию подрядчиков вашего штата.Совет по лицензированию также может сообщить вам о любых жалобах на подрядчиков с государственной лицензией.

Повышение энергоэффективности

После того, как ваш водонагреватель правильно установлен и обслуживается, попробуйте некоторые дополнительные стратегии энергосбережения, чтобы снизить счета за нагрев воды, особенно если вам требуется резервная система. Некоторые энергосберегающие устройства и системы выгоднее устанавливать вместе с водонагревателем.

Другие опции водонагревателя

Проектирование и оценка инновационного солнечного коллектора воздуха с испаряемым абсорбером и крышкой

Применение солнечных коллекторов является популярным инструментом для использования солнечной энергии.В этой работе был исследован плоский солнечный коллектор под прямым солнечным излучением с целью повышения тепловой эффективности солнечного коллектора с решетчатым стеклянным покрытием, перфорированными алюминиевыми листами поглотителя (пористость 0,0177, 0,0314 и толщина поглотителя 1,25, 2,5). мм), который больше всего подходит для солнечной сушилки. Было оценено влияние пористости и толщины на характеристики поглотителя коллектора. Были приняты шесть уровней массового расхода воздуха (от 0,0056 до 0,0385 кг м ^-2  с ^-1 ).Испытания проводились в трехкратной повторности в дни с очень ясным небом в сентябре и октябре. Результаты экспериментов показали, что термическая эффективность коллектора повышается за счет увеличения пористости поглотителя. Абсорбер с меньшей пористостью показал лучшую тепловую эффективность при меньшем массовом расходе воздуха. При минимальном расходе воздуха эффективность поглотителя с пористостью 0,0177 и 0,0314 составила 0,31 и 0,29 соответственно, тогда как при максимальном расходе эффективность показала огромное изменение на 0.83 и 0,88 соответственно. Этот солнечный воздухонагреватель можно использовать для сушки сельскохозяйственной продукции, обогрева помещения теплицы и т.д.

1. Введение

Солнечные воздухонагреватели по своей природе имеют низкую тепловую эффективность из-за низкой теплоемкости и низкой теплопроводности воздуха по сравнению с солнечными коллекторами жидкостного типа [1]. Многие исследователи пытались повысить эффективность солнечных воздухонагревателей за счет обеспечения тесной теплопередачи между воздухом и поглощающей средой.Основной проблемой является низкий коэффициент теплопередачи между поглотителем и воздухом, что снижает тепловой КПД [2]. Улучшение конструкции солнечных коллекторов приведет к повышению производительности системы. В солнечных коллекторах использовались различные поглотительные пластины и системы остекления, о которых сообщалось в литературе, пористый (дышащий) поглотитель и непористый, а также различные типы остекления. Основным недостатком непористого поглотителя является истощение полного теплообмена между поглотителем и жидкостью, что приводит к низкому тепловому КПД, поскольку коэффициент конвективного теплообмена между воздухом и пластиной поглотителя достаточно низкий, следовательно, температура пластины поглотителя будет высокой. и радиационные потери довольно велики.В пористом типе поглощение солнечного лучистого тепла и тепловая конвекция между воздухом и поглотителем могут эффективно усиливать воздух, проходящий через поглотитель коллектора, что улучшает качество коэффициента теплопередачи и тепловой эффективности, поэтому тепловые характеристики будут лучше в сравнение с непористым коллектором-абсорбером [3]. Пористые абсорбирующие пластины изучались в различных исследованиях, таких как абсорбер из вырезанной алюминиевой фольги [4], проволочных сеток [5, 6], розничного стекла [7], кусков угля [8], полых сфер [9], страниц из из черного синтетического волокна [10] и плотной черной хлопчатобумажной ткани [11].Преимущество пористого поглотителя связано с меньшим рассеиванием тепловой энергии в окружающую среду за счет поглощения и глубины проникновения солнечного излучения [1].

В исследовании, проведенном Whilier, 1964 [12], на солнечном воздушном коллекторе было установлено, что использование прозрачного слоя покрытия необходимо для повышения экономической эффективности коллектора. Зомородян и др., 2001 [11], изучали коллектор с абсорбером из плотной черной хлопчатобумажной ткани и решетчатой ​​стеклянной крышкой с расстоянием по вертикали между решетчатыми листами стекла (проницаемой крышкой) 3, 5, 7 и 9  мм для уменьшения теплопотерь с верхней часть коллектора и повысить тепловую эффективность.

При исследовании влияния направления ветра на тепловые характеристики было обнаружено, что тепловой КПД повышается, когда ветер дует перпендикулярно направлению канавок, а самый низкий наблюдается, когда ветер дует вдоль канавок. Влияние этого изменения направления ветра на тепловую эффективность составляло от 10 до 20 процентов [13].

Используя программное обеспечение FLUENT для оценки численных решетчатых пластин с теплопередачей в параллельном потоке к всасыванию, было обнаружено, что тепловые характеристики зависят от шести безразмерных параметров.Одна из этих размерных групп была х = t / D , отношение толщины к диаметру отверстия. Увеличение этого параметра увеличило площадь поверхности теплопередачи внутри отверстия, что привело к увеличению теплопередачи в поглощающую пластину и привело к увеличению тепловой эффективности поглотителя [14].

Для повышения коэффициента теплопередачи между поглотителем и воздухом были оценены три перфорированных алюминиевых листа с различной пористостью и толщиной 1. 25 мм. Для уменьшения теплопотерь с верхней поверхности использовался один слой сплошного листового стекла. Результаты этого исследования представили две лучшие пористости для поглощающих листов для лучшей тепловой эффективности при различных условиях эксплуатации [15].

С целью снижения потерь на излучение и конвекцию, а также уменьшения сильного воздействия обдува воздушным потоком верхней части коллектора и направления обдува настоящее исследование было проведено на решетчатом листовом стекле (дымопокрытие) с металлическим пропускающим поглотителем солнечной энергии. воздухонагреватель для уличных условий.

2. Материалы и методы

Этот коллектор проветриваемого солнечного воздуха состоял из оптически прозрачного слоя из нескольких узких стеклянных листов, выполненных в виде пластин в виде крышки коллектора двойного остекления, поглотителя из пористого алюминиевого листа, каркаса из прессованного дерева, покрытого дном. слой утеплителя из стекловаты толщиной 50 мм. Экспериментальный коллектор экспериментального размера показан на рисунке 1.

2.1. Стеклянная крышка

Впускной воздух подавался через прорези, образованные пластинчатой ​​крышкой коллектора.Этот всасывающий воздух восстанавливает часть коротковолнового излучения, поглощаемого стеклянными листами, и способствует лучшему охлаждению частей покрытия из стеклянных листов. Кроме того, поскольку воздух проходит вниз по абсорберу с более равномерным распределением, пластина абсорбера будет более равномерно охлаждаться охлаждающей жидкостью. Десять стеклянных листов (20 × 70 см) толщиной 4 мм и расстоянием по вертикали (воздушный зазор) 4 мм использовались в качестве двойного остекления из реечного стекла [11], как показано на рисунках 2 и 3.

2.2. Пластина поглотителя

В этом исследовании использовались два пористых алюминиевых поглотителя с эффективной площадью поверхности 106 × 75 см, пористостью 𝑃1=0,0177 (диаметр отверстий 3 мм и шаг 2 см) и 𝑃2=0,0314 (диаметр отверстий 2 мм и шаг 1 см). и толщины 𝑡1=1,25 и 𝑡2=2,5 мм использовались для исследования влияния пористости и толщины на тепловую эффективность коллектора. Расположение отверстий на обоих поглотителях было квадратным, как на рис. 4. Затем поверхности поглотителей были окрашены в черный матовый цвет.

2.3. Установка поглотителя

Чтобы поддерживать равномерный расход воздуха через пластину поглотителя вдоль и поперек направления потока воздуха, площадь поперечного сечения между поглотителем и стеклянной крышкой в ​​направлении потока поддерживалась постоянной, 𝐴1 = 𝐴2, как в Рис. 2.

Поглотитель был собран в корпус коллектора в виде наклонной пластины. Для установки стеклянной крышки была изготовлена ​​деревянная рама прямоугольной формы (внутренние размеры 70 × 105 см, высота передней стенки 2 см, высота задней стенки 9 см), рисунок 3.Для установки корпуса коллектора, а также воздушного редуктора была возведена табуретка из металлического краеугольного камня длиной, шириной и высотой 105, 70, 65 см соответственно. Эта колесная тележка также использовалась для изменения угла наклона пластины амортизатора на юг, как показано на рис. 1.

2.4. Приборы

В этом исследовании для измерения температуры в различных местах абсорбера, приточного и отработанного воздуха использовались 12 интеллектуальных датчиков температуры (SMT-160±0,5°C). Два датчика на щелевом входе воздуха, датчик на выходе воздуха и шесть вверху и внизу пластины абсорбера симметрично рядом с отверстиями абсорбера для измерения температуры воздуха до и после прохождения через пористый абсорбер.Вдоль направления воздушного потока на пластине поглотителя были установлены три затемненных датчика для контроля температуры корпуса поглотителя.

Центробежный вентилятор с постоянной скоростью (Parma, 1400 об/мин, 50 Гц, Италия) использовался в качестве источника воздушного потока, подключенного к инвертору (N50-015SF, 1,5 кВт, Корея) для изменения скорости воздушного потока. Скорость воздушного потока измеряли с помощью анемометра (Lutron, Тайвань) в трубе из ПВХ (внутренний диаметр 10 см), соединенной с выходным патрубком коллектора. Скорость воздушного потока была преобразована в скорость воздушного потока путем умножения средней скорости воздушного потока на площадь поперечного сечения воздуховода.Кроме того, для измерения интенсивности солнечного излучения использовался пиранометр кремниевого типа (Caselia, w, 0–2000 ± 1 w, Великобритания).

2.5. Экспериментальная процедура

Испытательный стенд располагался на сельскохозяйственном факультете Ширазского университета. Наклон коллектора и пиранометра, учитывая (1) и в соответствии с 30-градусной широтой Шираза, был установлен на 45-й градус к югу [1] 𝛼=localaltitude+15.(1)

В каждой серии экспериментов (каждый поглотитель) тепловая эффективность коллектора измерялась для шести уровней расхода воздуха (0.0056, 0,0118, 0,018, 0,0235, 0,029 и 0,0385 кг м ^-2  с ^-1 ). Для установки каждого расхода использовался инвертор для изменения оборотов двигателя, затем изменялась скорость вентилятора и получался другой расход.

Испытания проводились (сентябрь-октябрь 2010 г. ) в трех повторностях в дни с очень ясным небом в период с 11 до 13 часов при условии, что солнечная радиация и тепловой режим окружающей среды не претерпевают существенных изменений в это время, [16].

3. Результаты и обсуждение

Для расчета теплового КПД коллектора применяли (2) 𝜂=̇𝑚𝑐𝑝𝑇0−𝑇𝑖𝐺𝑇.(2)

Для оценки значительного влияния соответствующих параметров на тепловую эффективность данные были проанализированы с использованием программного обеспечения SPSS (версия 16). Результаты представлены в Таблице 1. Результаты показали, что влияние расхода воздуха, пористости и толщины поглотителя было очень значительным на тепловую эффективность солнечного нагревателя воздуха. Показано, что тепловой КПД коллектора увеличивается за счет увеличения потока воздуха для четырех поглотителей (2 пористости и 2 толщины), как на рисунке 5.При низком и среднем расходе воздуха скорость увеличения очень значительна, тогда как эта тенденция сохраняется при более высоком расходе, но с уменьшением скорости. Об этой тенденции изменения сообщали многие другие исследователи.

5 Переменная ДФ Сумма квадратов F F 5 2,781 15322.199 ** P 1 0,009 242.393 ** 1 0.006 177.936 ** 𝐹 * 𝑃 5 0,015 84.428 ** 𝐹 * 𝑇ℎ 5 0,001 7. 517 ** 𝑃 * 𝑇ℎ 1 0,000 4,972 𝐹 * 𝑃 * 𝑇ℎ 5 0.001 3.168 Ошибка 48 0,002

** Уровень значимости 1%.

Можно сделать вывод, что при меньшем расходе воздуха коэффициент конвективной теплопередачи между пластиной абсорбера и охлаждающим воздухом имеет более низкий порядок величины, что приводит к более высокой температуре поверхности абсорбера. Более высокая температура поверхности поглотителя увеличивает конвективные и лучистые тепловые потери сверху.Эти результаты демонстрируют очень хорошее согласие с исследованиями многих других исследователей [4, 11].

Из-за низкой теплоемкости воздуха, небольшой разницы температур между охлаждающим воздухом и абсорбером, которая возникает при более высоком массовом расходе воздуха, эффективность коллектора увеличивается очень медленно при больших расходах воздуха. Другими словами, тепловой КПД увеличивается при более высоких расходах воздуха из-за большего контактного объема расхода воздуха, что приводит к высокому показателю коэффициента теплопередачи, и это снижает потери тепла на излучение и конвекцию, что приводит к увеличению эффективности.Следовательно, необходимо точное обоснование между мощностью вентилятора и повышением эффективности коллектора при более высоких скоростях воздушного потока.

Ссылаясь на рисунок 6, можно сделать вывод, что при увеличении градиента температуры воздуха на выходе и окружающего воздуха на единицу солнечной инсоляции тепловой КПД имеет тенденцию к снижению во всех коллекторах. Кроме того, за счет увеличения потока воздушных масс уменьшение разницы между температурой вытяжного и наружного воздуха на единицу солнечной радиации приводит к увеличению теплового КПД. Этот факт может быть связан с лучшей теплопередачей между пористым поглотителем и всасываемым вниз воздухом, а также эффектом продувки охлаждающим воздухом пластины поглотителя.

Наиболее пористая пластина поглотителя показала лучшую тепловую эффективность по сравнению с другими. Этот факт также показан на рисунке 6, как и ожидалось. На самом деле эти два графика, рисунки 5 и 6, полностью подтверждаются друг другом.

Максимальная тепловая эффективность поглотителя для коллекторов с пористостью поглотителя 0.0177 и 0,0314 были измерены как 0,83 и 0,88 соответственно при самых высоких расходах воздуха для более толстого поглотителя.

При минимальном расходе воздуха эффективность поглотителя с пористостью 0,0177 и 0,0314 составила 0,31 и 0,29 соответственно. Этот эффект может быть связан с более низким коэффициентом теплопередачи и более высокой температурой пластины поглотителя, что привело к большим потерям тепла на конвекцию и излучение.

4.

Выводы

Решетчатая стеклянная крышка и воздушный солнечный коллектор с двумя различными перфорированными абсорбирующими пластинами, двух толщин и при массовом расходе воздуха 0.0056 до 0,0385 кг м ⁻²  с ⁻¹ . Максимальный тепловой КПД 0,88 был достигнут для самой пористой и толстой пластины абсорбера при максимальном массовом расходе воздуха, но при очень низких расходах воздуха пористость абсорбера оказывала обратное влияние на эффективность. Поглотитель с меньшей пористостью продемонстрировал более высокую эффективность.

номенклатура

𝑃:	𝑃:	пористость поглотителя
∅:	∅:	Диаметр отверстия
𝐴:	площадь поперечного сечения между поглотительным и стеклом крышкой
ID:	ID:	ID:	ID:	ID:	Диаметр
α:	α:	α:	Угол наклона коллектора и пиранометра
η:	η:	Тепловая эффективность сборщика
𝑚:	Противопоток воздуха на единицу площади коллектора (KGS-1M-2 )
𝑐𝑝:	:	Тепловая емкость для воздуха (JKG∘-1C-1)
𝐺𝑇:
𝐺𝑇:	Отлучение на коллектор (WM-2)
𝑇0:	выпускной температура воздуха (∘C)
𝑇𝑖:	Температура воздуха на входе (∘C).

Проектирование и испытания солнечного коллектора в оболочке с составными поверхностными концентраторами

В данной статье представлены проектирование и испытания солнечного коллектора в оболочке, который можно использовать в северной части Китая для настенной установки. Разработанный солнечный коллектор основан на сочетании нового составного концентратора с криволинейной поверхностью и алюминиевого концентрического солнечного приемника, заключенного в стеклянную вакуумную трубу. Поскольку между двойной стеклянной вакуумной трубой и алюминиевым концентрическим солнечным ресивером нет перфорационного соединения, можно избежать трудностей с поддержанием вакуума для соединения стекло-металл.Полая оболочка обеспечивает дополнительную теплоизоляцию для снижения тепловых потерь проектируемого солнечного коллектора. Описан принцип работы составного криволинейного концентратора. Результаты трассировки лучей приведены, чтобы показать влияние угла отклонения концентратора на его оптическую эффективность, тем самым определяя его максимальный угол приема. Прототип разработанного солнечного коллектора был построен и испытан в условиях солнечной зимней погоды. Экспериментальные результаты показывают, что температура горячей воды выше 80°C со среднесуточной эффективностью около 45~50% была достигнута при средней температуре окружающей среды ниже 0°C, поэтому разработанный солнечный коллектор может производить горячую воду при полезном расходе. температура зимой.

1. Введение

Обычно широко используются два типа солнечных коллекторов: обычные плоские коллекторы и недавно разработанные стеклянные вакуумные трубчатые коллекторы. У них есть свои индивидуальные преимущества и недостатки. Солнечные коллекторы с плоскими пластинами имеют преимущества в том, что они выдерживают механическую нагрузку, не дают мгновенных утечек после частичного повреждения и легче интегрируются в архитектуру, в то время как их недостатками являются низкая рабочая температура зимой и опасность повреждения от замерзания.И наоборот, стеклянные вакуумные трубчатые коллекторы могут поддерживать достаточно высокую рабочую температуру при температуре окружающего воздуха ниже точки замерзания зимой; например, при температуре наружного воздуха выше –10°С температура сбора может превышать 45°С. Однако у них есть недостаток, заключающийся в том, что они легко повреждаются при механическом воздействии, особенно для крупномасштабной системы. Солнечные коллекторы с вакуумными трубками имеют значительно более высокую эффективность, чем плоские коллекторы, при более высокой температуре сбора или более низкой температуре окружающей среды благодаря вакуумной теплоизоляции.Zambolin и Del Col [1] экспериментально сравнили эти два типа солнечных коллекторов и обнаружили, что вакуумный трубчатый коллектор может поддерживать КПД выше 50% при средней температуре горячей воды около 60°C, температуре окружающей среды 20°C, и солнечное излучение 700 Вт/м ² . Солнечные концентраторы можно использовать для улучшения тепловых характеристик вакуумных трубчатых коллекторов при более высоких рабочих температурах или в условиях низкого солнечного излучения. Солнечный коллектор концентрационного типа, разработанный Snail et al.[2] имеет оптическую эффективность 65% и тепловую эффективность лучше 50% при температуре жидкости 200°C без слежения за солнцем. Для сравнения, Rabl et al. В работе [3] изучалось сочетание безвакуумных солнечных коллекторов с составными параболическими концентраторами (КПК). Ли и Ванг [4] исследовали комбинированный желобной параболический концентратор и систему солнечного коллектора с вакуумными трубками и измерили эффективность около 70% при температуре воды на выходе 105°C. Хотя производство оптических поверхностей CPC может быть выполнено только с помощью дорогостоящих методов одноточечной обработки, возможно аппроксимировать сложные поверхности CPC с помощью ограниченного числа более простых форм без серьезных потерь эффективности [5].Адстен и др. [6] предложили так называемую конструкцию MaReCo солнечных концентраторов для стационарной установки. Нортон и др. [7] провел много исследований симметричных и асимметричных линейных составных параболических концентраторов, которые очень полезны для нас при разработке некоторых новых концентраторов.

С другой стороны, в некоторых случаях коллектор необходимо закрепить на стене. Например, в очень высоком здании пользователи надеются закрепить свой солнечный коллектор на южной стене, если таковой имеется. Джи и др.[8] описал настенный гибридный фотоэлектрический/водяной коллектор. Вакуумные трубчатые солнечные коллекторы особенно подходят для настенного монтажа в условиях высоких широт [9]. Однако вакуумный трубчатый коллектор заполнен водой, которая добавляет свою тепловую массу, так что зимой он дает горячую воду очень низкой температуры. Чтобы получить тепловую энергию с более высокой температурой, Adsten et al. (2005) оценили различные асимметричные конструкции CPC для автономных, потолочных или настенных установок.Миллс и др. [10] также исследовали характеристики асимметричных солнечных коллекторов CPC с трубчатым приемником и указали, что их можно использовать в некоторых особых случаях.

Кроме того, приемник, используемый в составном параболическом концентраторе, очень важен. Миллс и др. В работе [10] обсуждались проблемы с вакуумными трубчатыми солнечными приемниками, установленными в специальном концентраторе. Трипанагностопулос и др. В работе [11] также обсуждалась проблема сопряжения солнечных коллекторов КПК с плоскими двусторонними поглотителями.Вся предыдущая работа направлена ​​на достижение более высокой рабочей температуры коллектора или на то, чтобы коллекторы могли работать зимой.

В этом исследовании будет представлена ​​конструкция и испытания солнечного коллектора нового типа, основанного на включении нового составного концентратора с криволинейной поверхностью и алюминиевого концентрического солнечного приемника, заключенного в стеклянную вакуумированную трубу. Разработанный солнечный коллектор пригоден для настенной установки в условиях высоких широт.

2. Конструкция системы

Использование нового сложносоставного солнечного концентратора с криволинейной поверхностью является ключевым элементом конструкции нового типа системы горячего водоснабжения с солнечным коллектором для настенного монтажа.В сочетании с солнечным ресивером со стеклянной вакуумной трубкой система солнечного коллектора сможет обеспечить зимой горячую воду с температурой выше 70°C. Детальный инновационный дизайн описывается следующим образом.

2.1. Конструкция составного концентратора с криволинейной поверхностью

Ключевым компонентом предлагаемой системы солнечного коллектора нового типа является новый концентратор с составной криволинейной поверхностью лоткового типа; поперечное сечение которого показано на рис. 1. Составной концентратор состоит из двух верхних параболических зеркал, образованных из параболоида «1», двух плоских зеркал «2» и параболического зеркала «3» в основании.Высоты двух верхних параболических зеркал не равны, чтобы дать наклонную апертуру, угол которой связан с географической широтой. Центральная линия трубчатого приемника «4» перекрывается с линией фокуса параболоида «1», при этом она может быть несколько выше линии фокуса параболоида «3». Приходящие лучи под определенным углом к ​​оси симметрии концентратора в основном отражаются верхними параболическими зеркалами на приемник «4», а остальные – плоскими зеркалами и базовым параболическим зеркалом, которые могут переотражать отраженные лучи. лучи от зеркал «1» к приемнику «4.

2.1.1. Соображения по проектированию

На поперечном сечении концентратора, как показано на рисунке 1, и представляют собой левый и правый участки параболической кривой «1» с ее фокусом в точке , которая описывается где — фокальный параметр и — расстояние по вертикали от вершины параболической кривой «1» до оси -.

Параболическая кривая усечена прямой линией , которая, таким образом, образует отверстие параболической кривой. Угол наклона линии может быть таким же, как местная географическая широта.Сегменты прямой линии и вертикальны к -оси и симметричны относительно -оси. Расстояние между и и их разумные длины выбирают в соответствии с диаметром трубчатого приемника, а также с целью максимизации угла приема. представляет собой участок параболической кривой «3» с фокусом в точке и вершиной на оси -. где описывается фокальный параметр. Следовательно, поперечное сечение сложной криволинейной поверхности состоит из сегментов параболической кривизны и , сегментов прямой линии и и сегмента параболической кривизны .

2.1.2. Геометрический коэффициент концентрации и максимальный приемный угол

Как показано на рисунке 1, два угла и образованы между касательными линиями от точек и к окружности поперечного сечения приемника «4». Их дают

Как есть. Очевидно, что угол или угол представляет собой максимально допустимый угол отклонения оси симметрии концентратора от падающих лучей для отражения лучей от точки или точки к трубчатому приемнику «4.«Относительно нормально падающих лучей наклонные падающие слева лучи могут почти не падать на зеркало, поэтому их можно рассматривать как меньший угол приема концентратора. Все наклонные падающие лучи справа под углом отклонения не больше, чем могут быть отражены прямо в приемник параболическим зеркалом. Точно так же можно рассматривать и верхний угол приема концентратора. Фактически каждая точка на параболических зеркалах имеет свой индивидуальный максимально допустимый угол отклонения.Согласно (3) индивидуальный максимально допустимый угол отклонения, очевидно, увеличивается при движении точки вниз. Поэтому при угле отклонения больше или часть падающих лучей все же может отражаться непосредственно к приемнику нижней частью параболических зеркал, а часть может достигать приемника через вторичное отражение плоским зеркалом 2. ” и базовое параболическое зеркало “3”. По этой причине максимальный угол приема может быть намного больше, чем и .Немного подробнее о будет рассказано в следующем разделе. Если угол наклона составного концентратора криволинейной поверхности отрегулирован так, чтобы следовать за солнцем, угол (<) можно использовать для определения временного интервала для регулировки угла наклона. Другими словами, этот угол также может представлять собой максимально допустимое отклонение слежения.

Коэффициент геометрической концентрации составного концентратора с криволинейной поверхностью может быть определен как где — ширина отверстия, а — диаметр трубчатого приемника.Если использовать ширину апертуры и диаметр трубчатого приемника для определения геометрического коэффициента концентрации, то .

Уравнения (1)–(4) можно использовать для определения угла приема и коэффициента геометрической концентрации концентратора для заданной геометрии. Например, если предположить, что концентратор имеет следующие геометрические параметры , , , , , и , то . Максимальный угол приема составляет 18°, а коэффициент геометрического сосредоточения (для периметра трубчатого приемника) или (для диаметра трубчатого приемника).

2.1.3. Требование к точности отслеживания

В идеале, если желобковый концентратор может точно отслеживать солнце, весь входящий солнечный свет будет отражаться поверхностью желоба в фокус, достигая приемника. Однако существует ошибка слежения, то есть симметричная ось желоба отклоняется от солнечного света, как показано на рисунке 2. Для любого используемого приемника существует максимально допустимый угол отклонения, который может зависеть от положения на желобе. поверхность. Этот угол фактически представляет собой требование точности отслеживания для определенной точки. Как видно из рис. 2, максимальный угол отклонения изменяется в зависимости от положения точки на поверхности желоба.

Для проектных параметров, описанных в предыдущем разделе, было вычислено изменение в зависимости от положения точки, что показано на рисунке 3. Понятно, что требования к точности отслеживания для разных точек разные. Например, точность отслеживания составила 9,3° при расстоянии от исходной точки 108 мм, 5,3° при расстоянии 143,7 мм. Можно обнаружить, что требования к точности отслеживания будут выше, когда точка отражения будет дальше от точки фокусировки.Минимальное значение этих рассчитанных максимально допустимых углов отклонения может рассматриваться как требование к точности отслеживания всего желоба, если предполагается, что весь падающий солнечный свет достигает приемника.

2.1.4. Анализ трассировки лучей

Концентратор составной криволинейной поверхности с указанными выше предполагаемыми геометрическими параметрами был смоделирован в программе 3D-проектирования Pro/ENGINEER, а физическая модель была сохранена в формате IGES, а затем импортирована в программу оптического моделирования LightTools для рендеринга. трассировочный анализ.Предполагалось, что падающие лучи параллельны, и количество лучей было установлено равным 100. Моделирование трассировки лучей выполнялось для различных углов отклонения. На рис. 4 показаны результаты трассировки лучей для углов отклонения по часовой стрелке 10°, 12° и 17° и углов отклонения против часовой стрелки 6°, 7° и 15°.

Видно, что угол отклонения повлиял на количество лучей, достигающих приемника. Чтобы сравнить этот эффект между различными углами отклонения, было бы удобно определить идеальную оптическую эффективность, которая представляет собой отношение количества лучей, достигающих приемника, к общему количеству входящих лучей.По результатам трассировочного анализа можно получить зависимость между идеальной оптической эффективностью и углом отклонения, которая показана на рисунке 5. Видно, что когда угол отклонения оси симметрии концентратора находится между часовой стрелкой и против часовой стрелки, все входящие лучи могут достигать приемника; идеальная оптическая эффективность равна 1,0. Когда он вращается по часовой стрелке, идеальная оптическая эффективность составляет 0,81, а когда против часовой стрелки, идеальная оптическая эффективность составляет всего 0.58. Причину этой разницы можно объяснить следующим образом: как обсуждалось в предыдущем разделе, индивидуальный максимально допустимый угол отклонения каждой точки на параболических зеркалах «1» уменьшается при движении точки вверх. Поскольку высота левого параболического зеркала больше правого параболического зеркала, средний максимально допустимый угол отклонения левого параболического зеркала меньше правого; следовательно, меньший процент входящих лучей отражается к приемнику, когда угол отклонения больше, чем и .Можно также ожидать, что полная кривая идеальной оптической эффективности будет выглядеть почти симметрично, пересекая вертикальную линию, проходящую через угол отклонения по часовой стрелке около , как показано на рисунке 5. Но на самом деле правый участок кривой немного круче, чем левый. раздел. Две конечные точки плоского участка кривой соответствуют верхнему и нижнему углам приемлемости. Максимальный угол приема можно определить, продлив кривую эффективности до пересечения с линией эффективности 0%.Стоит отметить, что рисунок 5 выглядел бы несколько иначе, если бы для анализа трассировки лучей была выбрана фиксированная плотность лучей вместо заданного числа.

2.2. Конструкция системы слежения за солнцем

Как видно из рисунка 5, спроектированный составной поверхностный концентратор имеет угол приема по часовой стрелке и угол приема против часовой стрелки , при которых оптическая эффективность составляет более 90%. Это даст общий угол приема . Итак, слежение за солнцем необходимо для того, чтобы концентратор смог максимально собрать прямое солнечное излучение.Для настенного монтажа, если самый большой угол наклона солнца равен , то количество ежедневных корректировок для отслеживания солнца будет только раз. Зимой, как правило, нет необходимости регулировать угол, потому что угол высоты солнечного света невелик. Для проектируемого солнечного коллектора предполагалось использовать одноосную автоматическую систему слежения за солнцем с точностью слежения около 2° и временным интервалом слежения 30 минут в соответствии с углом приема против часовой стрелки . Эта система отслеживания использует режим возбуждения с помощью света.

2.3. Конструкция ресивера

Солнечный ресивер — еще один ключевой компонент. В качестве солнечного приемника использовалась стеклянная вакуумная трубка с двойной оболочкой, соединенная с концентрической алюминиевой трубой. Внешний размер стеклянной вакуумной трубки составлял . Концентрическая алюминиевая труба состоит из двух слоев, как показано на рис. 6. Внешний алюминий имеет диаметр и длину , а его внешняя поверхность покрыта оксидной пленкой, чтобы сформировать эффективную трубчатую поверхность поглощения солнечного света.По сравнению с обычными солнечными поглотителями с U-образными ребрами, концентрический поглотитель имеет кольцевой водяной канал на внутренней стороне трубчатой ​​поверхности поглощения солнечных лучей, поэтому тепловое сопротивление может быть сведено к минимуму. Кроме того, стеклянная эвакуационная трубка с двойной оболочкой не имеет перфоративного соединения с алюминиевой концентрической трубой; следовательно, возможность утечки вакуума также может быть сведена к минимуму.

2.4. Конструкция солнечного коллектора в оболочке

Схематическая структура и экспериментальный образец разработанного солнечного коллектора показаны на рисунке 7.Солнечный коллектор состоит из герметизирующей оболочки «1», комбинированного ручно-автоматического механизма слежения «2 и 3», нескольких малогабаритных лотковых составных криволинейных концентраторов «4», стеклянной крышки «5» и нескольких стеклянные вакуумные трубчатые солнечные приемники «6». Принцип работы солнечного коллектора следующий: (1) солнечные лучи падают на составную криволинейную поверхность коллектора «4» через стеклянную крышку «5»; 2) лучи отражаются на поверхность приемника «6»; (3) солнечное излучение преобразуется в тепло посредством поглощения селективным покрытием внешней алюминиевой трубы; (4) теплоноситель поступает во внутреннюю трубу концентрической алюминиевой трубы, а затем течет в кольцевой канал между средней трубой и внешней трубой, где он поглощает тепло и его температура увеличивается вдоль канала; (5) жидкий теплоноситель переносит тепло в резервуар для хранения горячей воды через циркуляционную линию и отдает тепло воде через погружной змеевиковый теплообменник для повышения температуры воды. По сравнению с обычными солнечными коллекторами с вакуумными трубками, в разработанном солнечном коллекторе концентрационного типа используется меньшее количество вакуумных трубок для той же площади сбора солнечной энергии, поэтому общее количество теплоносителя в трубках может быть уменьшено. Это может помочь уменьшить общую тепловую инерцию и, следовательно, привести к быстрому тепловому отклику. Благодаря использованию концентрации солнечной энергии солнечный коллектор может обеспечить полезную температуру воды в холодную зиму и не подвергается проблеме обледенения, поэтому он особенно подходит для регионов с высокими широтами и зимой с меньшим количеством солнечной энергии. угол возвышения.

Размер прототипа настенного солнечного коллектора был . Внутренняя часть оболочки инкапсуляции была прикреплена цистоэпиментной плитой толщиной около 20 мм и тонким слоем стекловаты в качестве теплоизоляционного слоя для уменьшения потерь тепла. Солнечный коллектор включал в себя четыре концентратора с криволинейной поверхностью лоткового типа. Система слежения находилась за желобными концентраторами, поэтому ее было видно снаружи. Каждый лотковый концентратор имел ширину и длину , чтобы получить площадь апертуры .Отражающая поверхность концентраторов имела коэффициент отражения около 92 % при коэффициенте диффузного отражения менее 10 % и коэффициенте зеркального отражения, равном 88 %. Стеклянная крышка и герметизирующая оболочка были соединены с образованием закрытой полости. Стеклянное покрытие представляло собой толстое флоат-стекло с низким содержанием железа и светопропусканием 0,88, что превышает требования GB 11614-2009 (национальный стандарт и профессиональный стандарт Китая для плоского стекла). Хотя стеклянная крышка уменьшает количество солнечного излучения, попадающего в солнечный коллектор, она обеспечивает пыленепроницаемость концентраторов, а закрытая полость может помочь уменьшить потери тепла солнечным ресивером с вакуумной трубкой.

3. Проверка работоспособности прототипа солнечного коллектора

3.

1. Экспериментальная система

Как показано на рисунках 7 и 8, экспериментальная система включала прототип настенного солнечного коллектора с кожухом, резервуар для воды, циркуляционный насос, емкость для подачи, змеевик теплообменника и циркуляционную трубу. На циркуляционную линию и водяной бак нанесен слой теплоизоляции толщиной 20 мм для снижения теплопотерь. Принцип работы экспериментальной системы следующий: поступающее солнечное излучение концентрируется и собирается солнечным коллектором для нагрева теплоносителя внутри; затем нагретое рабочее тело поступает в бак с водой, где его тепло отдается воде.Охлажденное рабочее тело после выделения тепла циркулирует насосом в солнечный коллектор для повторного нагрева. По мере продолжения процесса температура воды в резервуаре для воды постепенно повышается. Когда он достигает определенной степени, он готов к использованию.

Тестирование производительности проводилось в Пекине () при температуре окружающей среды в диапазоне -1~-9°C. Объем резервуара для воды был при начальной температуре воды 11,6°С. В эксперименте солнечная радиация автоматически регистрировалась солнечной тестовой системой ТРМ-2 (включая таблицу солнечной радиации TBQ-DI) с точностью ±5%.Калиброванные термопары k-типа использовались для измерения температуры в различных точках системы. Данные регистрировались регистратором температуры ТТ-12, в котором можно было регулировать интервал считывания.

3.2. Экспериментальные результаты и анализ

3.2.1. Тестирование эффективности

Чтобы проверить разработанный солнечный коллектор для использования зимой, для эксперимента были выбраны два дня с более низкой температурой окружающей среды. Прототип солнечного коллектора был размещен вертикально, чтобы имитировать настенную установку.Система находилась в модели автоматического отслеживания. Температура окружающей среды и воды, а также солнечная радиация в вертикальной плоскости регистрировались каждые 20 мин. Записанные данные показаны на рисунках 9 и 10.

Из значений солнечной радиации на рисунке 9 видно, что два выбранных для тестирования дня были солнечными и безоблачными, но температура окружающей среды была ниже -1°C. . Как показано на рис. 10, прототип солнечного коллектора нагрел воду в накопителе почти до 80°C к 15:00, поэтому он мог полностью удовлетворить потребность в горячей воде для бытовых нужд зимой в более холодных районах.Температура воды в начале росла почти линейно со временем и превышала 65°C около 14:00, а затем скорость роста температуры начала снижаться, так как солнечная радиация начала уменьшаться во второй половине дня, а теплопотери системы продолжала увеличиваться с повышением температуры воды. Также видно, что закрытая полость обычно имела температуру выше 20°C. Это явно помогло бы уменьшить потери тепла в окружающую среду по сравнению с ситуацией, когда солнечные приемники с вакуумными трубками подвергаются воздействию температуры окружающей среды ниже 0°C зимой.

Среднесуточная эффективность является ключевым параметром для характеристики солнечного коллектора и может быть определена следующим образом: где — среднесуточная эффективность, — количество и удельная теплоемкость воды, — начальная средняя температура водяного бака. (°C), – конечная температура резервуара для воды (°C), – суточное суммарное воздействие солнечного излучения (), – площадь апертуры солнечного коллектора, которая составляла .

Подстановка экспериментальных данных в (5) дает среднесуточную эффективность 51.3% на 23 января и 50,1% на 25 января соответственно. Небольшая разница в эффективности для этих двух дней может быть связана с разницей в средних рабочих температурах.

Переходная эффективность является отражением изменения эффективности теплового преобразования во времени и может быть определена как [12]где переходная эффективность, масса воды в резервуаре для воды (), площадь отверстия солнечного коллектора (), – удельная теплоемкость воды (), – средняя температура воды в резервуаре с водой (°C), – суммарное солнечное излучение (), а нижние индексы и обозначают начальное и конечное состояния каждого временного интервала .

Путем подстановки экспериментальных данных в (6) можно получить переходную эффективность в разное время и нанести ее на график в зависимости от нормализованной разности температур, как показано на рис. 11. Переходная эффективность показывает приблизительную квадратичную зависимость от нормализованной разницы температур. Регрессия наименьших квадратов данных на рисунке 11 дала следующую формулу:

На рисунке 11 также показаны переходные кривые эффективности для эффективного плоского солнечного коллектора [13] и солнечного коллектора с вакуумной трубкой для сравнения [14] .Видно, что когда температура воды равна температуре окружающей среды, то есть пересечение кривой переходного КПД спроектированного солнечного коллектора составляет 0,632, что выше, чем у двух других солнечных коллекторов. Это свидетельствует о том, что теплопотери проектируемого солнечного коллектора могут быть значительно снижены за счет использования солнечного концентратора и резонаторной оболочки. Кривые переходного КПД трех солнечных тепловых коллекторов имеют общую тенденцию; то есть с повышением рабочей температуры их КПД падают при разных наклонах, среди которых кривая КПД плоского солнечного коллектора имеет самый крутой наклон. Наклон кривой эффективности разработанного солнечного коллектора аналогичен кривой эффективности обычного солнечного коллектора с вакуумными тепловыми трубками, но немного ниже при более высокой температуре. Это в основном связано с тем, что теплоизоляция спроектированного солнечного коллектора не так хороша, как у обычного солнечного коллектора с вакуумной трубкой; таким образом, значительное количество тепла теряется в резервуаре для воды и циркуляционной трубе.

Также для сравнения тестировалась система в неследящем режиме, в котором корыто фиксировалось во время дневного теста.А вот угол наклона (между симметричной осью желоба и землей) регулировался между разными днями. Например, угол был 50° 6 ноября и 40° 23 ноября соответственно. Остальные условия были такими же, как и при автоматическом режиме трассировки.

Результаты экспериментов по двум типичным светлым дням представлены на рис. 12. На основании данных рассчитана дневная эффективность 44,5% и 38% соответственно. Это указывает на то, что угол наклона имеет важное влияние на эффективность.По сравнению с эффективностью около 50% для режима слежения видно, что использование слежения за солнцем важно для получения высокой эффективности.

Была проанализирована погрешность измерения эксперимента. При решении (5) используется дифференциальная операция. Варьирование эффективности дало следующую формулу:

Приведя эти параметры в уравнение ошибки эффективности, можно вычислить ошибку. Относительная неопределенность составляет 2,6%. Путем анализа ошибок доказывается правомерность изложенного выше метода.

3.2.2. Испытание вытеснения горячей воды при контролируемой температуре

Также был проведен эксперимент по исследованию тепловых характеристик прототипа солнечного коллектора с периодическим вытеснением горячей воды при контролируемой температуре. Система находилась в режиме без отслеживания. В эксперименте желоб-концентратор был закреплен с углом наклона 50°. Такое тестирование было проведено в течение нескольких светлых дней с установленной температурой 45°С, при которой холодная вода подавалась в бак для вытеснения горячей воды.При достижении температуры выходящей воды определенного градуса (40°С или 35°С) подачу воды прекращали. На рисунках 13 и 14 показаны зарегистрированные значения солнечной радиации и температуры воды.

Согласно (5) среднесуточный тепловой КПД прототипа системы горячего водоснабжения солнечного коллектора на 22 января можно рассчитать следующим образом: го водоизмещения и – количество воды для го водоизмещения.Понятно, что тепловой КПД системы с периодическим вытеснением горячей воды несколько больше, чем с закрытым водонагревателем. Причина в том, что система-прототип в первой ситуации работала при более низкой температуре и, следовательно, меньше тепла терялось в окружающую среду. Таким же образом и 7 ноября, и 21 января можно получить эффективность 45% и 48%. Нетрудно убедиться, что КПД в регулируемом температурном режиме больше за счет меньшей рабочей температуры и меньших теплопотерь.

4. Выводы

Чтобы преодолеть недостаток обычных солнечных коллекторов зимой, то есть их недоступность из-за низкой температуры воды или даже замерзания, в данной статье представлена ​​новая конструкция солнечных коллекторов, основанная на сочетании нового составной концентратор с криволинейной поверхностью и алюминиевый концентрический солнечный приемник, заключенный в стеклянную вакуумированную трубу с двойной оболочкой. Создан прототип солнечного коллектора, заключенный в стеклянную оболочку, полость которой обеспечивает дополнительную теплоизоляцию.Работоспособность прототипа проверена в условиях солнечной зимы и при настенном монтаже. Результаты экспериментов показывают, что при средней температуре окружающего воздуха ниже 0°С температуру воды можно нагреть до 80°С со среднесуточной эффективностью около 50%. Следовательно, разработанный солнечный коллектор может производить полезную горячую воду зимой. Разработанный солнечный коллектор имеет следующие преимущества.

(1) В разработанном солнечном коллекторе используется новый концентратор сложной криволинейной поверхности; количество вакуумных труб, используемых на единицу площади солнечного коллектора, уменьшается, как и количество теплоносителя внутри солнечного коллектора.Следовательно, тепловой отклик системы будет быстрым. Это было бы полезно для применения зимой, когда период солнечного сияния короткий, а температура окружающей среды низкая.

(2) Жидкий теплоноситель, который может работать при температуре от –30°C до 200°C, используется для передачи собранного солнечного тепла в резервуар для воды через циркуляционный насос и змеевик теплообменника. Теплоноситель имеет низкую температуру замерзания и поможет предотвратить растрескивание и взрыв солнечного коллектора из-за возможного замерзания зимой.

(3) В солнечном коллекторе в качестве солнечного коллектора используется алюминиевая концентрическая труба. Жидкостный канал находится непосредственно на внутренней стороне поверхности, поглощающей солнечные лучи, поэтому передача тепла будет быстрой и эффективной.

Разное