38985

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С ВАКУУМИРОВАННЫМИ СТЕКЛОПАКЕТАМИ

Диссертация

Энергетика

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С ВАКУУМИРОВАННЫМИ СТЕКЛОПАКЕТАМИ Методика расчета солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом Тепловой баланс солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом Зависимость коэффициента теплопроводности разреженного газа от давления в вакуумном зазоре ВСП Расчет характеристик вакуумированных стеклопакетов обеспечивающих повышение эффективности солнечных коллекторов Экспериментальное исследование макета солнечного коллектора с...

Русский

2013-09-30

2.09 MB

142 чел.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии)

На правах рукописи

104.2 0 0.9 0 7 1 22 "

МИТИНА ИРИНА ВАЛЕРЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С ВАКУУМИРОВАННЫМИ СТЕКЛОПАКЕТАМИ

Специальность: 05.14.08 - энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, академик Россельхозакадемии Стребков Дмитрий Семенович

Москва - 2009

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 5

ВВЕДЕНИЕ .... 8

ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИИ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В НИХ ПРОЗРАЧНОЙ ИЗОЛЯЦИИ 18

  1.  Типы солнечных коллекторов 18
  2.  Плоские солнечные коллекторы 18
  3.  Солнечные коллекторы с вакуумированными трубками 27
  4.  Солнечные коллекторы с отражателями 29

I

  1.  Типы прозрачной изоляции для солнечных коллекторов 32
  2.  Одинарное, двойное остекления 33
  3.  Стекла с селективными покрытиями 34
  4.  Прозрачная изоляция из полимерных материалов 35
  5.  Вакуумированные стеклопакеты 39

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С ВАКУУМИРОВАННЫМИ СТЕКЛОПАКЕТАМИ 48

  1.  Методика расчета солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом 48
  2.  Постановка задачи 48
  3.  Тепловой баланс солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом 48
  4.  Зависимость коэффициента теплопроводности разреженного газа

от давления в вакуумном зазоре ВСП 55

  1.  Расчет характеристик вакуумированных стеклопакетов, обеспечивающих повышение эффективности солнечных коллекторов 59
  2.  Экспериментальное исследование макета солнечного коллектора с вакуумированными стеклопакетами 67
  3.  Описание эксперимента 67
  4.  Краткое описание измерительных приборов и оценка погрешностей измерений 70
  5.  Результаты испытаний 72
  6.  Испытания промышленных солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами 75

2.5. Определение степени вакуума в вакуумированном стеклопакете при помощи вещества-индикатора 77

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С ОТРАЖАТЕЛЯМИ И ПРОЗРАЧНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ

ВАКУУМИРОВАННЫХ СТЕКЛОПАКЕТОВ 80

  1.  Расчет солнечных коллекторов с отражателями 80

3.1.1. Графоаналитический метод расчета оптического КПД системы «концентратор-приемник» 81

, 3.1.2. Метод расчета коэффициента концентрации по балансу лучистых потоков 85

  1.  Расчет энергетических характеристик солнечного коллектора с сообразными отражателями 90
  2.  Геометрические параметры га-образного отражателя 90
  3.  Расчёт оптического КПД и коэффициента концентрации теплового модуля с га-образными отражателями 91
  4.  Экспериментальное исследование солнечного коллектора с га- образными отражателями и различными типами прозрачной изоляции 93
  5.  Определение эксергии солнечного коллектора с га-образными отражателями 95

ГЛАВА 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С ВАКУУМИРОВАННЫМИ СТЕКЛОПАКЕТАМИ 98

  1.  Перспективные области применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами 98
    1.  Солнечная установка с отражателем и приемником с вакуумированной изоляцией 98
      1.  Солнечные фасады с вакуумированными стеклопакетами 100
      2.  Теплицы с прозрачным ограждением из вакуумированных стеклопакетов   102
    2.  Экономическая эффективность применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта 106
      1.  Расчет нагрузки горячего водоснабжения для личного подсобного хозяйства и тепловой энергии, получаемой за счет солнечных коллекторов 108
      2.  Расчет базы для сравнения и определение критерия оценки эффективности применения вакуумированных стеклопакетов в солнечных коллекторах 112
      3.  Расчет экономической эффективности и срока окупаемости 116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125

ЛИТЕРАТУРА 128

ПРИЛОЖЕНИЯ 137

Приложение 1. Блок-схема алгоритма расчета теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами 138

Приложение 2. Протоколы испытаний макета солнечного коллектора 141

Приложение 3. Акт внедрения результатов диссертации в производство 147

Приложение 4. Акт внедрения результатов диссертации в учебный процесс 148

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

2

А - площадь, м ;

л

а — коэффициент температуропроводности, м /с;

ср - теплоемкость воды при постоянном давлении, Дж/(кг-К);

cv - молярная теплоемкость газа, Дж/(моль-К);

D,d - диаметр, ширина, м;

е - эксергия, Дж;

Fr коэффициент отвода тепла из солнечного коллектора; / - коэффициент замещения; G - расход теплоносителя, кг/ч; g - гравитационная постоянная, g = 9,81 м/с ; Н - плотность солнечного излучения, Вт/м ;

л

h - коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м -К); К, К' - коэффициент концентрации; Кп - критерий Кнудсена;

2

к - коэффициент теплопередачи,

Вт/(м -К);

постоянная Больцмана,

к= 1,38-10"23 Дж/К; kd — коэффициент дисконтирования; L - длина, характерный размер, м; / - расстояние, м;

М — молекулярная масса, кг/моль; т — масса, кг;

Na - число Авогадро, Na = 6,02-1023 моль"1; Nu - число Нуссельта; nd норма дисконта; р - давление, Па; мм рт. ст.; Q — мощность теплового потока, Вт;

QrB - тепловая энергия, требуемая для горячего водоснабжения, кВт-ч/год; q — плотность теплового потока, Вт/м ; R - термическое сопротивление, м К/Вт; R,r - радиус, м;

Ro - универсальная газовая постоянная, Rq — 8,314 Дж/(моль-К); Rt - сопротивление теплопередаче, м2К/Вт;

Т - температура, К; *

Т - приведенная температура, К;

t - температура, °С;

t -текущий год, t= 1, 2, 3...;

s - шаг (расстояние) между фиксаторами, м;

TJi - полный коэффициент теплопотерь солнечного коллектора, Вт/(м2-К);

v - скорость ветра, м/с;

3\ — затраты на горячее водоснабжение в базовом варианте, руб.;

З-i - затраты на горячее водоснабжение в новом варианте, руб.;

Зкап - капитальные затраты на солнечную установку, руб.;

Зжспл ~ эксплуатационные затраты на солнечную установку, руб.;

Зт э - затраты на традиционный источник энергии для горячего

водоснабжения, руб.;

Стэ стоимость производства 1 кВт-ч тепловой энергии, руб.;

Э - экономия затрат, руб.;

а - коэффициент поглощения;

ао - коэффициент аккомодации;

Р — угол наклона солнечного коллектора к горизонту, град.;

Р' - коэффициент объемного расширения идеального газа, К"1;

у — поправочный коэффициент, представляющий собой отношение

молярных теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме у = С/Су,

Ак - относительная погрешность, %;

АТ — разность температур, °С, К;

8 - толщина, величина зазора, м;

¿ь — коэффициент, учитывающий рассеянную радиацию, падающую на

лицевую сторону приёмника;

б - излучательная способность (коэффициент излучения);

Л -КПД;

в - коэффициент улавливания солнечного излучения;

Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

Ло - длина свободного пробега молекулы, м;

у - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м /с;

р — коэффициент отражения;

ст - постоянная Стефана-Больцмана, сг= 5,67-10"8 Вт/(м24);

оь - элементарная площадка;

т - коэффициент пропускания;

ц - время.

Индексы

ап —

апертура;

бок -

боковая поверхность;

возд -

воздух;

ВСП

вакуумированный стеклопакет;

вх -

вход;

вых —

выход;

ГВ

горячее водоснабжение;

дв.ст —

двойное остекление;

заз -

зазор;

изл -

излучение;

к —

концентратор;

КК

Краснодарский край;

коне -

конвективный;

м -

молекула;

мес -

месячный;

МО

- Московская область;

ос

- окружающая среда;

осн

- основание;

ПК

- поликарботнат;

пл

- пластина;

пр

- приемник;

пир

- пиранометр;

прих

- приходящий;

пр.из

- прозрачная изоляция;

с

- стекло;

ск

- солнечный коллектор;

тыл

- тыльный;

тепл.из

- тепловая изоляция;

терм

- термопара;

Ф

- фронтальный;

фикс

- фиксатор.

ВВЕДЕНИЕ

Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) актуально для всех стран мира: для развитых стран, импортирующих топливно- энергетические ресурсы, - это, в первую очередь, обеспечение энергетической безопасности; для развитых стран, имеющих свои запасы топлива, — улучшение экологической ситуации; для развивающихся стран - способ улучшить социально-бытовые условия проживания населения.

По данным [1] запасов газа хватит на 120 лет, нефти — на 250, угля — на 1560, поэтому использование ВИЭ во всем мире — это обеспечение мировой энергетической безопасности. От состояния энергетики зависит также развитие промышленности и сельского хозяйства, поэтому использование ВИЭ поможет решить также проблему устойчивого развития сельских территорий. Таким образом, внедрение ВИЭ повлияет на решение трех глобальных проблем: энергетики, экологии и продовольствия.

Россия является одним из крупнейших экспортеров топливно- энергетических ресурсов, она обладает 12 % мировых запасов нефти, 35 % мировых запасов газа, 16 % мировых запасов угля и 14 % урана [2]. Однако, вышеперечисленные проблемы касаются и России. Специфика России заключается в том, что страна огромная, и более 70 % территории страны, где 4 проживает более 10 млн. человек [3], не имеют централизованного энергоснабжения. Это, прежде всего, Крайний Север, восточные регионы, горная местность с отгонным и пастбищным животноводством. Стоимость топлива, доставляемого в отдаленные населенные пункты Крайнего Севера, Дальнего Востока, Сибири (дизельное топливо, бензин, мазут, масла), в связи с транспортными расходами, значительно возрастает по сравнению с ценами производителей. Поэтому в таких районах, по возможности, необходимо использовать местные альтернативные источники энергии.

Сейчас страны всего мира стремятся развивать использование возобновляемых источников энергии, и многие из стран занимаются этой проблемой на государственном уровне по следующим причинам [4]:

  •  уменьшение зависимости от импорта органического топлива (в основном нефти и газа);
  •  загрязнение окружающей среды;
  •  возможность интеграции энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии в существующую энергетическую сеть;
  •  возможность применения и развития наукоемких технологий;
  •  неисчерпаемость ВИЭ;
  •  доступность возобновляемых ресурсов.

Наиболее распространенным и доступным возобновляемым источником

энергии является солнечная энергия. Приход суммарной солнечной энергии на

18

поверхность Земли оценивается в 10 кВт-ч/год - цифра, в 7000 раз превышающая годовое потребление энергии всех жителей планеты [5].

Для теплоснабжения и горячего водоснабжения жилых и сельскохозяйственных объектов используют солнечные коллекторы (СК). В сельском хозяйстве солнечные коллекторы применяются для отопления и горячего водоснабжения жилых и животноводческих объектов; для сушки фруктов, зерна, другой продукции; тепловой обработки грубых кормов.

Ведущими странами в использовании солнечных тепловых установок (плоские солнечные коллекторы и коллекторы с вакуумированными трубками) являются: Китай — 65,1 ГВт тепловой мощности, Турция — 6,6 ГВт, Германия - 5,6 ГВт, Япония - 4,7 ГВт, Израиль - 3,4 ГВт. За ними следуют Греция - 2,3 ГВт, Бразилия - 2,2 ГВт, Австрия - 1,9 ГВт, США - 1,6 ГВт и Австралия - 1,1 ГВт [6].

К 2008 году в мире всего было установлено 67,4 млн. м (47,2 ГВт тепловой энергии) плоских солнечных коллекторов с остеклением [6, 7]. В России установлено около 15 тыс. м ; в Краснодарском крае построено 102 гелиоустановки общей площадью 5000 м , в Бурятии - 86 гелиоустановок площадью 3660 м [8]. Перспективы развития солнечной энергетики в России очевидны: количество солнечной радиации, поступающей на земную

поверхность, достаточно высока в Краснодарском, Ставропольском краях, Забайкалье, Приморском крае и в др. субъектах РФ (рис. 1 [I]).

Считается, что солнечная установка не окупается в течение 20 лет в районах, лежащих севернее 45° с.ш. Но даже в странах с холодным климатом - Швеции, Финляндии - реализованы проекты солнечных систем теплоснабжения с применением тепловых насосов и сезонных аккумуляторов теплоты [9]. Поэтому в России также существует возможность использования солнечной энергии и в умеренном климате.

Рис. 1. Распределение солнечной энергии на территории России

Данные по потенциалу солнечной энергии по Федеральным округам РФ приведены в табл. 1 [10]. Из таблицы видно, что потенциал солнечной энергии достаточно высок во всех федеральных округах.

По данным [11] цена за кВт-ч тепловой энергии, полученной за счет использования солнечных коллекторов, снизится с 25 центов до 2 - 10 центов к 2020 году. Учитывая непрерывный и значительный рост цен на

электроэнергию, можно говорить о необходимости внедрения ВИЭ, в том числе для производства тепловой энергии.

Таблица 1

Данные по потенциальным ресурсам солнечной энергии России

Валовый потенциал,

Технический потенциал*

Экономический потенциал**

Федераль ный округ

Производство тепла,

Производство электроэнергии, млн. ту.т.

Всего, млн.

Производство тепла,

Производство электро

Всего, млн.

млрд. т у.т.

млн. т у.т.

ту.т.

млн. т у.т.

энергии, млн. т у.т.

т у.т.

Центральный

84,9

404,2

34,6

438,8

480,9

30,2

511,1

Северозападный

178,2

664,6

80,0

744,6

12,4

15,4

27,8

Южный

100,7

568,2

41,9

610,1

680,0

11,7

691,7

Приволжский

140,8

668,9

58,3

727,2

528,0

37,1

565,1

Уральский

215,6

659,9

89,7

749,6

145,6

20,9

166,5

Сибирский

672,0

2901,2

279,7

3180,9

401,6

26,0

427,6

Дальневосточный

813,2

2886,0

338,4

3224,4

125,5

6,6

132,1

Снижение стоимости тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, может быть достигнуто за счет уменьшения капитальных затрат на солнечную установку и применения более эффективных конструкционных материалов, а также повышения эффективности работы солнечных коллекторов и уменьшения тепловых потерь солнечного коллектора.

Актуальность работы.

Наибольшие тепловые потери, от которых значительно зависит производительность солнечного коллектора, происходят за счет теплового излучения и конвекции через прозрачную изоляцию. Эти потери могут составлять до 90 % всех тепловых потерь солнечного коллектора, поэтому

Технический потенциал ВИЭ — часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию возможно при существующем уровне развития технических средств, при соблюдении требований по охране природной среды.

Экономический потенциал ВИЭ - часть технического потенциала, преобразование которого в полезную используемую энергию экономически целесообразно при данном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы, транспортные услуги, оплату труда и т.д.

выбор прозрачной изоляции с высоким сопротивлением теплопередаче — важная стадия конструирования солнечного коллектора.

В данной работе рассмотрены 2 типа солнечных коллекторов: плоские и с отражателями.

Исследованием солнечных коллекторов, в т.ч. их прозрачной изоляции, занимались Авезов P.P., Бекман У.А., Бутузов В.А., Даффи Дж.А., Зоколей С., Казанджан Б.И., Попель О.С., Тарнижевский Б.В., Твайделл Дж., Трушевский С.Н., Уэйр А. и др. Большой вклад в разработку концентрирующих систем, в том числе солнечных коллекторов с отражателями внесли такие ученые, как Апариси P.P., Баум В.А., Безруких П.П., Захидов P.A., Руденко М.Ф., Стребков Д.С.', Тверьянович Э.В., Тепляков Д.И., Тюхов И.И. и др.

Как правило, в солнечных коллекторах в качестве прозрачной изоляции применяется одинарное остекление, которое имеет коэффициент сопротивления теплопередаче 0,13 м -К/Вт при средней температуре приемника 100°С, температуре окружающей среды -20°С и коэффициенте теплоотдачи в окружающую среду

20 Вт/(м2-К) [12]. Двойное остекление имеет

л

сопротивление теплопередаче 0,24 м -К/Вт, двойное остекление с селективным покрытием — 0,36 м"-К/Вт при тех же параметрах, но использование двойного остекления усложняет конструкцию CK из-за увеличения толщины воздушных зазоров между стеклами, а также увеличивает вес конструкции.

Вакуумированные стеклопакеты (ВСП) с коэффициентом сопротивления теплопередаче, превосходящим одинарное и двойное остекления за счет вакуумного зазора, в котором теплопроводность разреженного газа и конвекция незначительны, могут применяться в качестве прозрачной теплоизоляции солнечных коллекторов.

Работа выполнялась в соответствии с программой РАСХН по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 - 2010 гг. (задание 09.02.05).

Целью диссертационной работы является повышение эффективности

солнечных коллекторов за счет применения вакуумированных стеклопакетов.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие

задачи:

  1.  Разработать методику расчета теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами.
  2.  Определить характеристики солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, обеспечивающие повышение их эффективности.
  3.  Разработать макет солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом; провести натурные испытания макета солнечного коллектора и промышленных солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами.
  4.  Разработать способ оценки степени вакуума в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора при помощи индикатора.
  5.  Исследовать тепловые характеристики солнечного коллектора с отражателями и с различными типами прозрачной изоляции, включая вакуумированные стеклопакеты.
  6.  Провести экономический анализ эффективности применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта.

Научная новизна работы

  1.  Разработана методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумном зазоре.
    1.  Обоснованы тепловые и оптические характеристики солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, обеспечивающие повышение их эффективности.
    2.  Разработан способ оценки степени вакуума в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора при помощи вещества-индикатора, изменяющего

цвет при изменении давления.

  1.  Разработан графоаналитический метод определения оптического КПД солнечных коллекторов с со-образными отражателями.
    1.  Обосновано применение солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для объектов сельского хозяйства (гелиотеплиц и солнечных домов).

Научная новизна работы подтверждена двумя патентами РФ на изобретения.

Практическая ценность

Методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно- экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора; графоаналитический метод расчета оптического КПД солнечных коллекторов с отражателями используются в учебном процессе на кафедре ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств» Московского государственного университета инженерной экологии, что подтверждено соответствующим актом.

В результате проведенных натурных испытаний было установлено, что КПД промышленных солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами выше на 8 %, чем КПД солнечных коллекторов с штатным одинарным остеклением. Рекомендации по изготовлению солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами используются ОАО «Ковровский механический завод», что подтверждено соответствующим актом.

Способ оценки степени вакуума при помощи вещества-индикатора, меняющего цвет при изменении давления разреженного газа, позволит визуально оценивать степень вакуума (без специальных приборов) при эксплуатации вакуумированных стеклопакетов как в солнечных коллекторах, так и при остеклении зданий.

Положения, выносимые на защиту

  1.  Методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно- экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумированном стеклопакете солнечного коллектора.
    1.  Характеристики солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, при которых сопротивление теплопередаче больше в 3 раза, чем у солнечных коллекторов с одинарным остеклением, имеющим селективное покрытие.
      1.  Повышение эффективности солнечных коллекторов за счет применения вакуумированных стеклопакетов, подтвержденное экспериментальными исследованиями в натурных условиях.
      2.  Способ оценки степени вакуума в вакуумированных стеклопакетах солнечных коллекторов при помощи вещества-индикатора, изменяющего цвет при изменении давления разреженного газа.

Апробация работы

Материалы диссертации были использованы в научных отчетах отдела «Возобновляемые источники энергии» ГНУ ВИЭСХ в 2007 и 2008 гг. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном конгрессе «Великие реки» в 2004, 2005, 2007 гг. в Нижнем Новгороде; Пятой и Шестой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в 2006 и 2008 гг. (г. Москва, ГНУ ВИЭСХ); конференции в рамках выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (г. Москва, ВВЦ), Шестой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 статьи в журнале «Альтернативная энергетика и экология», 1 статья в журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства», 2 статьи в журнале «Гелиотехника», получено 2 патента на изобретение.

Структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 127 страницах машинописного текста, иллюстрированных 61 рисунком и 32 таблицами, и снабжена 4 приложениями; список литературы включает 110 наименований.

Изложение результатов исследований приводится следующим образом.

В первой главе приведен обзор конструкций плоских солнечных коллекторов и солнечных коллекторов с отражателями. Проведен обзор жидкостных солнечных коллекторов российского производства, отмечены их достоинства и недостатки, в том числе с точки зрения применяемой в них прозрачной изоляции; проведен обзор конструкций воздушных солнечных коллекторов.

Во второй главе излагается методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления разреженного газа по его коэффициенту теплопроводности; расчет характеристик вакуумированных стеклопакетов, необходимых для повышения эффективности солнечных коллекторов по сравнению с солнечными коллекторами с традиционной прозрачной изоляцией; описание сравнительных экспериментальных исследований в натурных условиях макета солнечного коллектора с ВСП и двойным остеклением, а также промышленных солнечных коллекторов с одинарным остеклением и ВСП; сравнение расчетных и экспериментальных данных.

В третьей главе приводится расчет энергетических и оптических характеристик солнечных коллекторов с отражателями и ВСП, в том числе графоаналитический метод расчета оптического КПД системы «концентратор- приемник» и метод расчета коэффициента концентрации по балансу лучистых потоков; описание натурных экспериментов солнечного коллектора с ю-образными отражателями с различными типами прозрачной изоляции: одинарным остеклением, двойным остеклением и ВСП.

Четвертая глава посвящена перспективным направлениям применения вакуумированных стеклопакетов в гелиотехнике: в солнечных установках с отражателями и тепловыми приемниками; энергоэффективных зданиях, гелиотеплицах. Представлен расчет экономической эффективности применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта.

ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В НИХ ПРОЗРАЧНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

1.1. Типы солнечных коллекторов

Солнечный коллектор (СК) является основным конструктивным элементом солнечной установки, в котором электромагнитная энергия солнечного излучения (СИ) преобразуется в тепловую энергию. Солнечные коллекторы делятся на плоские и фокусирующие. Последние включают отражатели, фокусирующие солнечное излучение на приемник. Классификация солнечных коллекторов представлена на рис. 2.

Рис. 2. Классификация солнечных коллекторов

В следующих разделах представлено подробное описание плоских (жидкостных и воздушных) СК и СК с отражателями.

1.1.1. Плоские солнечные коллекторы

Плоские СК в зависимости от теплоносителя бывают жидкостными и воздушными. Среди жидкостных теплоносителей наиболее распространённым является вода, а также антифризы на основе этиленгликоля, пропиленгликоля или глицерина (глизантин).

Каждый из теплоносителей имеет свои преимущества и недостатки. Жидкости имеют, по сравнению с воздухом, большую удельную теплоёмкость

и теплопроводность, что сказывается на большей эффективности теплообмена и требует меньших размеров СК. Но, с другой стороны, при использовании жидкости в качестве теплоносителя существует вероятность утечек, замерзания или вскипания жидкости, коррозии установки. Все эти проблемы отсутствуют при использовании в качестве теплоносителя воздуха.

1.1.1.1. Жидкостные солнечные коллекторы

Рис. 4. Приемник солнечного излучения: трубка, приваренная к поглощающей пластине СК

Плоский СК состоит из корпуса, теплоизолированного с тыльной и боковых сторон, внутри которого помещен приемник (пластина) 1, поглощающий солнечное излучение (рис. 3). К приемнику приварены параллельные трубки 2 (рис. 4), расположенные вдоль СК и ограниченные раздающим (внизу СК) и сборным (вверху СК) гидравлическими коллекторами 3. Приемник солнечного излучения нагревается и передает энергию проходящему по трубкам теплоносителю.

1 - приемник, 2 - внутренние каналы (трубки), 3 - гидравлический коллектор, 4 - прозрачная изоляция (стекло), 5 - крепление, 6 - уплотнитель, 7 - теплоизоляция


Сверху корпус СК закрыт светопрозрачной изоляцией 4, изготавливаемой, как правило, из закаленного стекла с низким содержанием оксида железа. Для герметичности между стеклом и креплением 5 помещен уплотнитель 6. Снизу и с боков СК теплоизолирован материалом 7 с низкой теплопроводностью, таким как пенопласт, минеральная вата, стеклянная вата, пенополиуретан и др. Общий вид плоского жидкостного плоского солнечного коллектора представлен на рис. 5.

Рис. 5. Жидкостной солнечный коллектор: 1 - прозрачная изоляция, 2 - приемник солнечного излучения, 3 - внутренние каналы, 4 - гидравлические коллекторы

(внизу - раздающий, вверху - сборный), 5 - теплоизоляция, 6 - корпус солнечного коллектора, 7 - герметичный уплотнитель, Я - холодный теплоноситель, V - нагретый теплоноситель

По данным [13] оптимальная толщина воздушной прослойки между тепловым приемником и светопрозрачным покрытием составляет около 12 мм.

Плоский СК поглощает прямую и рассеянную (диффузную) солнечную радиацию. Приемник СК изготавливается из металла с высокой теплопроводностью - из меди, алюминия или стали.

На приемник солнечного излучения наносится селективное покрытие. Так как солнечное излучение Нх сосредоточено в основном в диапазоне длин волн 0,28...3 мкм, а максимум теплового излучения теплового приемника приходится на 10 мкм (весь диапазон - 3...1 00 мкм), то идеальная селективная поверхность приемника СИ должна обладать высоким значением а в ближней ультрафиолетовой (0,3.,.0,38 мкм), видимой (0,38.,.0,78 мкм) и ближней инфракрасной (0,78...3 мкм) областях излучения и низким коэффициентом излучения е в инфракрасной области с длинами волн больше 3 мкм. Спектральные характеристики идеальной селективной поверхности для приемника солнечного коллектора представлены на рис. 6.

а =г., Ну, Вт/(м2-мкм)

1

 

—К?

-

1000

0.8

-

—ч 1

-

800

0.6

.(V1

л 1 \

-

600

0.4

1

) \

400

0,2

1*1

ДVI л *—

1 \ .1 ГУГ^ТТ гл тТ8--

200

0,3

1

3 10

50

1

00

мкм

Рис. 6. Спектральные характеристики: 1 - спектр излучения Солнца при атмосферной массе 2; 2 - поглощательная (излучательная) способность идеальной селективной поверхности; 3 - поглощательная (излучательная) способность Си20; 4 - спектр излучения абсолютно черного тела при температуре Ю0°С

Наибольшее распространение получили двухслойные селективные покрытия. На поверхность, которой нужно придать селективные свойства, наносится слой с высоким коэффициентом отражения в длинноволновой области спектра, например, медь, никель, серебро или алюминий. Поверх этого слоя наносится слой, имеющий высоки коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Пример получения двухслойной селективной поверхности — окисление поверхности металла. Возможен и обратный вариант. Слой, отражающий длинноволновое излучение, располагается сверху, а слой, поглощающий видимую и ближнюю инфракрасную области спектра, снизу. Верхний слой для видимой части спектра должен быть прозрачен (ВпСЬ, 1п203).

Отношение а/е называется селективностью; чем больше селективность, тем эффективнее селективное покрытие для приемника СИ. В табл. 2 представлены характеристики некоторых селективных покрытий, наносимых на приемники солнечного излучения [14].

Таблица 2

Материал покрытия/подложка

Коэффициент поглощения а (температура, °С)

Коэффициент излучения е (температура, °С)

Ое + 8Юп.п/Сг

0,90(100)

0,11 (100)

81 + 8Ю„.„/Аё

0,80 (100)

0,05 (100)

Сг + СгОх / БЮ2

0,92(120)

0,08 (120)

АЬОз+Си

0,90 (100)

0,05 (100)

А1203 + Сг

0,90 (100)

0,10(100)

СиОх / Си (черная медь)

0,91 (100)

0,16(100)

Примечание, п.п. - просветляющее покрытие, уменьшающее потери на отражение в видимой области спектра.

Идеальное светопрозрачное покрытие солнечного коллектора должно иметь максимальную пропускательную способность т в диапазоне длин волн от 0,28 до 3,0 мкм и играть роль экрана для теплового излучения в инфракрасной области с длинами волн больше 3 мкм.

В России качество и технико-экономические показатели солнечных коллекторов устанавливают следующие государственные стандарты: ГОСТ Р 51594-2000 «Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения» [16], ГОСТ Р 51595-2000 «Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия» [17] и ГОСТ Р 51596-2000 «Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Методы испытаний» [18].

Характеристики селективных покрытий

Впервые в СССР серийный выпуск жидкостных солнечных коллекторов был налажен на Братском заводе отопительного оборудования. Преимущество этого вида солнечных коллекторов заключалось в более низких, чем у других солнечных коллекторов, затратах на производство 1 м2 поглощающей панели, но солнечные коллекторы этого завода быстро выходили из строя вследствие коррозии стальной теплопоглощающей панели.

В России основными производителями солнечных коллекторов являются ОАО «Ковровский механический завод» (солнечный коллектор ОАО «КМЗ» представлен на рис. 7а), НПО «Машиностроение» (солнечный коллектор «Сокол» - рис. 76), ЗАО «АЛЬТЭН» (солнечный коллектор «Альтэн-1» — рис. 7 в), НПП «Конкурент» (солнечный коллектор «Раду га-М»), НПК «Ветроток» (солнечный коллектор СК-01-44), ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод».

а) б) в)

Рис. 7. Солнечные коллекторы ОАО «Ковровский механический завод» (а) НПО «Машиностроение» (б) и ЗАО «АЛЬТЭН» (в)

Характеристики солнечных коллекторов российского производства представлены в табл. 3.


Таблица 3

Характеристика

СК ОАО «КМЗ» [19]

«Сокол» [20]

«Альтэн-1» [19, 20]

«Радуга-М» [23]

Габаритные размеры, мм

961 х 906

2007 х1007

2030х1116

1830x630

Площадь приемника, м

0,79

1,9

2,168

1,0

Материал приемника

Металлический лист

Спецпрофиль из коррозионностойкого алюминиевого сплава

Алюминиевый профиль

Нержавеющая сталь

Селективное покрытие

Нет

Есть

На основе карбида титана

Есть

Поглощательная и излучательная способность приемника

а=0,95; £=0,95

а= 0,9 - 0,95; е= 0,05 -0,10

а = 0,94; s = 0,05

<х = 0, 92-0,94 е = 0,11-0,14

Материал трубок

Латунь

Алюминий

Латунь

Нержавеющая сталь

Внутренний диаметр трубок, мм

11

12

И

11

Прозрачная изоляция

Стекло 3 мм с минимальным содержанием оксида железа

Стекло листовое закаленное 4 мм

Двухслойный

ячеистый поликарбонат «Polygal»

Стекло листовое

Тепловая изоляция

Воздушная коробка из пергамина

Минеральная вата: снизу 50 мм, сбоку 25 мм

Стекловолокно и тонкая алюминиевая фольга

2 слоя: базальтовое волокно, обернутое алюминиевой фольгой, и жесткий пенополиуретан

Коэффициент тепловых потерь, Вт/(м2К)

3,0

4,1

2,228 + 0,0167(7^-

Тос)

4,2

Производительность при температуре 60°С, л/с

70

140 . .

150

70

Мгновенный КПД

0,77-4,4 Т*

0,81-4,1 Т*

0,79 - 5,29 Т*

0,78-4,12 Т*

Т* = (Тср - Тос)/Н- приведенная температура, где Тср - средняя температура теплоносителя, °С; Тос - температура окружающей среды, °С, H- солнечная радиация, Вт/м2.

Характеристики солнечных коллекторов российского производства


Наиболее распространенным видом прозрачной изоляции СК является одинарное остекление; оно используется, например, в солнечном коллекторе ОАО «КМЗ» и «Радуга-М» [19]. В солнечном коллекторе «Сокол» применяется закаленное стекло [20], которое является более дорогим по сравнению с обычным оконным стеклом, но более прочным. В солнечном коллекторе «Альтен-1» в качестве прозрачной изоляции используется ячеистый поликарбонат, который имеет как преимущества, так и недостатки по сравнению со стеклом. Как преимущество можно отметить меньшую массу и более высокий коэффициент сопротивления теплопередаче, а как недостатки — меньшая стойкость к высоким температурам (до 120°С) и меньший коэффициент пропускания по сравнению с одинарным остеклением.

В международной практике принято устанавливать в качестве прозрачной изоляции СК закаленное стекло [21, 22].

1.1.1.2. Воздушные солнечные коллекторы

Некоторые типы воздушных солнечных коллекторов представлены на рис. 8 [24]. В коллекторе (а) имеется только одно стеклянное покрытие, воздух движется только в одном направлении, омывая абсорбер. Недостаток данной конструкции в том, что горячий воздух контактирует с прозрачной изоляцией, следствием чего являются большие тепловые потери.

Преимущества конструкции солнечных коллекторов (рис. 76, в) в том, что воздух, поступающий в канал, нагревается от абсорбера и не контактирует с внешним остеклением, а с внешним остеклением контактирует уже охлаждённый в теплообменнике воздух, протекающий в верхнем канале.

Солнечные коллекторы обычно устанавливают неподвижно на плоской или наклонной крыше с оптимальной ориентацией для конкретного местоположения и времени года, в течение которого должна работать солнечная установка, или вертикально на стене. Эффективным конструктивным решением использования воздушного солнечного коллектора для обогрева помещения является интегрирование его в стену здания.

б)

Д 2 ^ 5 4

о|

6)

Рис. 8. Плоские солнечные воздушные коллекторы: 1 - абсорбер, 2 - изоляция, 3 - прозрачная изоляция, 4 - движение потока воздуха, 5 - средняя прозрачная изоляция, 6 - теплообменник

В 1995 г. совместно французскими и немецкими учеными были проведены исследования по обогреву помещения при помощи встроенного в стену солнечного воздушного коллектора, так называемой «ТЬегто\уа11» (рис. 9), т.е. «термостены» [24]. Исследования проводились в Швейцарии, результаты были следующими: коэффициент теплопотерь составил 4,9 Вт/(м2-К), а КПД 64 %. В исследованиях применялась модель воздушного коллектора, изображенная на рис. 86.

Рис. 9. «ТЬегто\уаН»: встроенный в стену солнечный коллектор


Применять встроенные в стену здания солнечные воздушные коллекторы для отопления помещений стали ещё в середине XX века. Например, в 1956 году в г. Рикмансуорт (близ г. Лондона, 52° с.ш.) был построен дом, южная стена которого (28 м ) была полностью сделана из стеклопакетов плексиглас и представляла собой солнечный коллектор [25].

В [26] описаны наиболее распространённые конструкции воздушных солнечных коллекторов, интегрируемых в здания. Данные конструкции представлены на рис. 10.

-V

у™

 У/л

Ш

т

4

щ

У

4/ У

Ж

 

9

\/

УУ/

ш

г / / . ///

//'

' //У

*/' /

//:>:

/ J •

/Шз/'У шшъ

 

Рис. 10. Конструкции воздушных гелиоколлекторов, встраиваемых в стену здания, 1 - прозрачная теплоизоляция; 2 - тепло поглощающая пластина; 3 - теплоизоляция; 4 - теплосъёмный канал; 5 - замкнутое воздушное пространство; 6 - турбулизаторы; 7 - гофрированная пластина; 8 - профильный элемент; 9 - стеклопакет

1.1.2. Солнечные коллекторы с вакуумированными трубками

Солнечные коллекторы с вакуумированными трубками (рис. 11) обеспечивают более высокую температуру теплоносителя, чем плоские жидкостные коллекторы. Они состоят из нескольких стеклянных трубок 1, в которых расположены медные трубки 2 с приваренной пластиной-абсорбером

3, на которую нанесено селективное покрытие 4 (рис. 12). Внутри медной трубки движется теплоноситель 5. Пространство внутри стеклянной трубки вакуумировано - так устраняются теплопотери за счет теплопроводности и конвекции воздуха.

Наиболее распространенный вариант СК с вакуумированными трубками работает по принципу термосифона: трубки соединены напрямую с баком- аккумулятором, и теплоноситель, нагреваясь, поднимается в бак-аккумулятор

(рис. 13).

Рис. 11. Солнечный коллектор с вакуумированными трубками

Рис. 12. Схема вакуумированной трубки 1 - стеклянная трубка, 2 - медная трубка, 3 - пластина-абсорбер, 4 - селективное покрытие, 5 - теплоноситель, б - вакуум

Недостатками солнечных коллекторов с вакуумированными трубками являются высокая стоимость и сложность в эксплуатации: вакуумированные трубки могут разрушаться. Исследования, проведенные в Объединенном институте высоких температур, показали, что для нагрева воды в целях горячего водоснабжения, где требуются температуры теплоносителя 55 - 60°С, плоские СК имеют преимущество перед СК с вакуумированными трубками [27].

Рис. 13. Солнечный коллектор с вакуумированными трубками со встроенным баком-аккумулятором

1.1.3. Солнечные коллекторы с отражателями

Концентраторы на основе зеркальных отражателей - это оптические устройства, повышающие плотность потока солнечного излучения. В солнечных коллекторах их можно применять для того, чтобы собирать излучение с большей площади, чем приемник, и получать на приемнике концентрированной излучение. Таким образом, можно в несколько раз сократить площадь приемника по сравнению с плоским коллектором, и достичь более высоких температур теплоносителя.

Солнечный коллектор с зеркальными отражателями состоит из одного или нескольких отражателей, которые фокусируют солнечное излучение на приемник, таким образом, на приемник поступает как суммарная солнечная радиация, так и отраженная от концентратора.

На рис. 14 представлен солнечный коллектор с отражателем, основой для которого послужил составной параболоцилиндрический концентратор, описанный в [28]. Образующая линия ВС3В' концентратора является оптимальной для приемника с меньшим диаметром (заштрихованный), а линия ВС2В' - оптимальной для приемника с большим диаметром [29].

На основе данного концентратора сконструированы несколько типов СК с трубчатым (рис. 15а) и оребренным (рис. 156) приемником. Форма отражателей оптимизирована в зависимости от размера диаметра трубки. В первом варианте СК (а) оптимальной линией является ВС2В' (рис. 14), во втором - линия ВС3В' (рис. 14). Во втором варианте труба имеет меньший диаметр и покрыта изогнутой медной пластиной. В зависимости от расположения Солнца лучи падают на какую-то часть пластины, нагревают ее, и далее тепло передается за счет теплопроводности теплоносителю в трубке.

Плоскость

Рис. 14. Солнечный коллектор с отражателями и цилиндрическим приемником

Рис. 15. Конструкции СК с отражателем и цилиндрическим приемником

Во Фраунгофском институте солнечных систем (г. Фрайбург, Германия) был разработан солнечный коллектор с полуцилиндрическими отражателями и приемником с прозрачной изоляцией из поликарбоната с просветляющим покрытием [30]. Сверху СК закрыт стеклом с низким содержанием железа и просветляющим покрытием (рис. 16). Оптический КПД {та) такого СК оценивается равным 64 %.

Рис. 16. Солнечный коллектор с отражателями и прозрачной изоляцией из поликарбоната сотовой структуры вокруг приемника: 1 - приемник, 2 - воздушный зазор 24 мм, 3 - прозрачная изоляция из сотового поликарбоната толщиной 50 мм, 4 - стекло толщиной 4 мм, 5 - полуцилиндрические отражатели

Рис. 17. Солнечный коллектор с симметричными отражателями и приемником в виде вакуумированной трубки; гвн - внутренний диаметр трубчатого приемника

В [31] описан солнечный коллектор с отражателями и приемником в виде вакуумированной трубки (рис. 17), прототипом которого был отражатель для трубчатых приемников, предложенный авторами [32, 33]. Отражатели представляют собой симметричные или асимметричные ветви со. Авторами были исследованы несколько вариантов кривых отражателей: симметричных с

31

апертурными углами 13°, симметричных с апертурными углами 26,5° и асимметричных с апертурными углами 7° и 46°. Авторы пришли к выводу, что наиболее оптимальным по вырабатываемой мощности является вариант, с асимметричными отражателями (рис. 18).

Расстояние в плоскости апертуры, Ь

Рис. 18. Солнечный коллектор с асимметричными отражателями и приемником в виде вакуумированной трубки гвы - внутренний диаметр трубчатого приемника

В ГНУ ВИЭСХ разработан и исследован солнечный модуль с ю-образными зеркальными отражателями [34], подробно рассмотренный в гл. 3.

1.2. Типы прозрачной изоляции для солнечных коллекторов

В ГОСТ Р 51595-2000 [17] указано, что прозрачная изоляция СК должна быть выполнена из стекла или полимерных материалов, устойчивых к атмосферным осадкам и эксплуатационным воздействиям. Преимущество прозрачной изоляции из полимерных материалов заключается в большей прочности по сравнению со стеклом, но она является менее стойкой к высоким температурам, УФ-излучению, и обладает меньшей пропускательной способностью, чем стекло. Рассмотрим некоторые типы прозрачной изоляции для СК из стекла и полимерных материалов.

1.2.1. Одинарное, двойное остекления

Наиболее распространенным типом прозрачной изоляции в СК является стекло. В зависимости от качества листовое стекло подразделяют на марки МО, М1, М2, МЗ, М4, М5, Мб, М7. Чем меньше цифра в марке стекла, тем выше его качество, т.е. тем меньше дефектов на единицу поверхности [35]. В России качество листового стекла определяется ГОСТ 111-2001 [36]. Для прозрачной изоляции СК важно, чтобы стекло было с низким содержанием оксида железа, т.к. в этом случае оно лучше пропускает видимое солнечное излучение и практически его не поглощает.

Некоторые физико-механические характеристики листового стекла по ГОСТ 111-2001 приведены в табл. 4.

Таблица 4

Физико-механические характеристики листового стекла [36]

Наименование показателя

Справочное значение

Плотность

2500 кг/м-5

Коэффициент теплопроводности

1,0 Вт/(м-К)

Температурный коэффициент линейного расширения (в интервале температур от 20 до 300°С)

9,0-10-6 К"1

Температура размягчения

600°С

Коэффициент преломления света

1,5

Коэффициент направленного отражения света

0,08

В табл. 5, 6 представлены сопротивления теплопередаче прозрачного ограждения СК из одного и двух стекол без селективного покрытия (ас — 0,95) и с селективным покрытием на одной из внутренних поверхностей стекол (ес =0,1) при различных температурах приемника и окружающей среды.

Таблица 5

2\ ,

Сопротивление теплопередаче остекления солнечного коллектора Rh м -К/Вт,

при средней температуре приемника солнечного излучения tnp = 60°С, температуре окружающей среды toc = +10°С и коэффициенте теплоотдачи от стекла в окружающую среду И"= 20 Вт/(м -К) [12]

Тип остекления

£с = 0,95

ес = 0,1

Одинарное остекление

0,15

0,27

Двойное остекление

0,28

0,43

Таблица 6

Сопротивление теплопередаче остекления солнечного коллектора Rt, м -К/Вт,

при средней температуре приемника солнечного излучения tnp ~ 100°С, температуре окружающей среды toc = - 20°С и коэффициенте теплоотдачи от стекла в окружающую среду h^oc = 20 Вт/(м2-К) [12]

Тип остекления

ес = 0,95

£с = 0,1

Одинарное остекление

0,13

0,24

Двойное остекление

0,24

0,36

Как видно из таблиц, сопротивление теплопередаче прозрачного ограждения СК больше при меньшей разнице температур приемника и окружающей среды и возрастает при увеличении количества слоев стекол и нанесении на стекла селективного покрытия.

ГОСТ Р 51595-2000 не ограничивает число слоев прозрачной изоляции СК. Как было сказано, при увеличении слоев прозрачной изоляции возрастает сопротивление теплопередаче, но уменьшается пропускание ' и возникает сложность при монтаже вследствие увеличения толщины прозрачной изоляции. Поэтому в СК, как правило, используют одинарное остекление., Обычно для целей горячего водоснабжения (температура теплоносителя около 60°С) используют СК с одинарным остеклением, а для отопления - СК с двойным остеклением.

1.2.2. Стекла с селективными покрытиями

Теплопотери излучением через стекло можно снизить за счет использования селективных (низкоэмиссионных) стекол, среди которых И-стекло (с мягким селективным покрытием) и К-стекло (с твердым селективным покрытием). Селективные покрытия наносятся на поверхности стекол ВСП для того, чтобы отразить инфракрасное излучение (с длиной волны более 3 мкм, максимум на 10 мкм) со стороны помещения (или теплового приемника в случае солнечного коллектора). При этом интегральная пропускательная способность стекла с низкоэмиссионным покрытием уменьшается на 3 - 5 % по сравнению со стеклом без покрытия.

Селективность стекол обеспечивается нанесением трехслойного покрытия: адгезионного металлооксидного (8п02, ZnO), основного слоя — серебра, и защитного металлооксидного. Селективные покрытия получают методом пиролиза (К-стекло) либо методом вакуумного магнетронного напыления (И-стекло) [37]. В первом случае молекулы оксидов металлов проникают в кристаллическую решетку стекла, и покрытие очень прочно сцепляется с поверхностью стекла, такое покрытие называется твердым. Покрытие, наносимое вакуумным методом, является менее устойчивым и называется мягким, но обладает более низкой излучательной способностью б по сравнению с твердым покрытием: б твердого покрытия составляет б - 0,1 - 0,18 [38]; мягкого £=0,02 - 0,08 [39].

Качество стекла с твердым селективным покрытием устанавливает ГОСТ 30733-2000 [40]. Излучательная способность твердого селективного покрытия должна быть не более 0,18.

1.2.3. Прозрачная изоляция из полимерных материалов

В [41] дан подробный обзор прозрачной изоляции для СК из полимерных материалов. Для изоляции обычно используют различные пластики: полиэтилен, поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат, полиэстеркарбонат и др. Из известных конструкций солнечных коллекторов с полимерной прозрачной изоляцией можно назвать следующие: СК с отражателями с прозрачной ячеистой изоляцией из поликарбоната (рис. 16), плоский СК с прозрачной ячеистой изоляцией (рис. 19 [42]), плоский СК с прозрачной капиллярной изоляцией из стекла (рис. 20 [42]).

Авторами работ [44, 45] предлагается использовать двухслойную прозрачную изоляцию: из поликарбоната ячеистой структуры и стекла (рис. 21). Прозрачная тепловая изоляция представляет собой ячеистую структуру из материала, прозрачного в видимой области солнечного излучения и имеющего низкий коэффициент излучения в инфракрасной области.

4 5 6

Рис. 19. Плоский СК с прозрачной ячеистой изоляцией: I - стекло с низким содержанием железа толщиной 4 мм, 2 - изоляция из ячеистого ПК толщиной 50 - 100 мм, 3 - воздушный зазор 20 мм, 4 - приемник солнечного излучения с селективным покрытием, 5 - тепловая изоляция толщиной 15 мм из материала, выдерживающего высокие температуры, 6 - полиуретан толщиной 60 мм, 7 - деревянная рама, 8 - алюминиевая рама

Рис. 20. Плоский СК с прозрачной капиллярной изоляцией из стекла: 1 - листы стекла с низким содержанием железа, 2 - прозрачная капиллярная изоляция из стекла толщиной 80 - 100 мм, 3 - воздушный зазор 20 мм, 4 - приемник солнечного излучения, 5 - тепловая изоляция толщиной 20 мм из материала, выдерживающего высокие температуры, 6 - минеральная вата толщиной 100 мм, 7 - пенополиуретан толщиной 60 мм, 8 - деревянная рама, 9 - минеральная вата толщиной 200 мм, 10 - пеностекло толщиной 30 мм, 11 - деревянная поддерживающая рама, 12 - защита от атмосферных воздействий,

13 - алюминиевая рама

"7))!" U777UPP7P7P %8#-U7P!UP!US())*)*)&$(&')%))+'+%'"P77

12 3 4

шШшш

! • '!!! 111111

11!!!! 11

Р1

Ш

_ / 5/

7

Рис. 21. Схема воздушного солнечного коллектора с прозрачной изоляцией из ячеистого поликарбоната: ] - приемник СИ; 2 - стекло; 3 - прозрачная изоляция из ячеистого поликарбоната; 4 - поток воздуха; 5 - теплоизоляция


Эксперименты показали, что КПД солнечного коллектора с прозрачной изоляцией из ячеистого поликарбоната выше в среднем на 20 %, чем КПД солнечного коллектора без нее (только с одинарным остеклением), а нагрев теплоносителя выше в среднем на 15°С в зависимости от расхода воздуха.

Прозрачная изоляция СК «Альтэн-1» изготовлена из двухслойного ячеистого поликарбоната «Poiygal» (рис. 22). Отличительной чертой данной конструкции является то, что прозрачная изоляция окружает приемник солнечного излучения со всех сторон.

Поликарбонат устойчив до температуры +120°С [46]. В связи с этим, в СК с отражателями, где температура приемника может превосходить 120°С, целесообразно использовать стекло.

Рис. 22. Прозрачная изоляция солнечного коллектора «Альтэн-1»

Поликарбонат применяют также для теплоизоляции стен. На внешней стороне стены располагают абсорбер или красят стену черной краской. Затем крепят к стене элемент из поликарбоната капиллярной или ячеистой структуры, заключенный в металлическую или деревянную раму (рис, 23) [41].

Рис. 23. Элемент тепловой изоляции стены из поликарбоната; 1 - стена здания, 2 - непрозрачная изоляция, 3 - металлическая или деревянная рама, 4 - стекло, 5 - поликарбонат, 6 - стекло, 7 - абсорбер (приемник СИ), покрытый черной краской

Солнечное излучение приходит на абсорбер (приемник СИ), и стена нагревается эффективнее, а прозрачная изоляция предотвращает теплопотери стены в окружающую среду. В некоторых конструкциях предусмотрена штора на роликах (или жалюзи), предотвращающая перегрев стены и помещения в летний период и способствующая сохранению тепла в ночное время (рис. 24) [43].

 

□Г

ХГ

Рис. 24. Конструкция стены с теплоизоляцией из поликарбоната: 1 - стена здания, 2 - абсорбер (приемник СИ), 3 - изоляция из поликарбоната, 4 - зацитное стекло, 5 - воздушный зазор, 6 - штора на роликах

 

Недостатками такой конструкции являются большая толщина и невысокий коэффициент пропускания из-за многослойности изоляции.

Для того чтобы снизить теплопотери солнечного коллектора и одновременно избежать недостатков, относящихся к рассмотренным типам прозрачной изоляции (недостаточно высокий коэффициент сопротивления теплопередаче у стекла; большая толщина, низкий коэффициент пропускания у поликарбоната), целесообразно применять в качестве прозрачной изоляции СК вакуумированные стеклопакеты.

Сопротивление теплопередаче ВСП больше, чем у одинарного и двойного остеклений за счет отсутствия в вакуумном зазоре конвекции и незначительной теплопроводности разреженного газа. При этом толщина ВСП не намного больше одинарного остекления - 6,5...8 мм.

В табл. 7 представлены данные по пропускательной способности и сопротивлению теплопередаче вакуумированных стеклопакетов (ВСП) для условий их применения в качестве светопрозрачных ограждений в зданиях. Более полная информация о ВСП представлена в следующем разделе.

Таблица 7

Коэффициенты пропускания г и коэффициенты сопротивления теплопередаче различных типов стеклопакетов по данным ОАО «Плазма» (г. Рязань) [47]

Тип вакуумированного стеклопакета

т

/?„ (м2-К)/Вт

ВСП толщиной 6,5 мм

0,83

0,44

ВСП с селективным покрытием на одном стекле

0,80

0,85

ВСП с селективным покрытием на двух стеклах

0,76

1,2

1.2.4. Вакуумированные стеклопакеты

1.2.4.1. Конструкция вакуумированных стеклопакетов

Схема конструкции вакуумированного стеклопакета представлена на рис. 25. ВСП состоит из двух листов стекла 1 с вакуумным зазором 2, равным 0,15 - 0,2 мм. Воздух из этого зазора откачан до давления порядка 10"3— 10"4 мм рт. ст. [48, 49], за счет чего заметно снижаются теплопотери вследствие теплопроводности воздуха, и, следовательно, существенно повышается сопротивление теплопередаче ВСП.

Рис. 25. Конструкция ВСП: 1 - лист стекла,

2 - стеклокерамические фиксаторы, 3 — вакуумный зазор, 4 - шов герметизации

Между стеклами упорядоченно устанавливаются фиксаторы 3 диаметром 0,25 - 0,4 мм и высотой 0,15 - 0,2 мм [48, 49] с шагом 25 - 40 мм для того, чтобы при откачке воздуха сохранить зазор между стеклами и предотвратить разрушение от перепада давления внутри зазора и атмосферой. Фиксаторы могут выполняться из нержавеющей стали или стеклокерамики. Последний вариант, безусловно, предпочтительнее, т.к. теплопроводность стеклокерамики гораздо меньше, чем у стали: около 1 Вт/(м-К) (теплопроводность стали 20 Вт/(м-К)). Стекла соединяются по периметру швом герметизации 4 из специального стекла для пайки.

Впервые конструкция ВСП была запатентована в 1913 году Цоллером (Zoller) [48]. В дальнейшем многие европейские, американские и австралийские ученые занимались разработками ВСП, о чем можно узнать в патентной литературе [50, 51, 52]. Производство ВСП началось в 1988 году в Сиднейском университете [48]. Массовый выпуск ВСП впервые начала японская фирма Nippon Sheet Glass в середине 1999 года [39].

В России технология изготовления вакуумированных стеклопакетов для оконных ограждений разработана и запатентована Ивлюшкиным А.Н. совместно с Самородовым В.Г., Карповым В.Ю., Спиридоновым A.B. и др. (ОАО «Плазма», г. Рязань) [39].

1.2.4.2. Производство вакуумированных стеклопакетов

После обработки стекол на одно из них при помощи трафарета наносят сетку фиксаторов и соединяют стекла швом герметизации. Шов герметизации выполняется при помощи специального припоя для пайки при температуре 450 — 500°С [48]. Затем стеклопакет медленно охлаждается до температуры застывания шва, после чего производится процесс откачки воздуха и обжиг при температуре 100 - 350°С, в результате чего происходит обезгаживание внутренних поверхностей стекол. Если температура обжига будет приблизительно 350°С, вакуум будет устойчивым [53]. Чем ниже температура обжига, тем больше вероятность того, что произойдет деградация вакуума (т.е. повышение давления в зазоре), и, следовательно, значительное повышение коэффициента теплопередачи ВСП.

В Университете Сиднея с 1988 года проводятся исследования вакуумированных стеклопакетов. В этом университете был реализован способ их изготовления, состоящий из следующих стадий [54]:

  •  резка стекла, сверление в нём отверстия для штенгеля, обработка краёв стекла для избежания разламывания;
  •  чистка нарезанных листов стекла, их сушка;
  •  нанесение сетки фиксаторов (около 1500 единиц на м2) на нижний лист стекла;
  •  крепление штенгеля, нанесение стеклянной пасты для пайки на кончик штенгеля;
  •  присоединение к нижнему стеклу верхнего;
  •  нанесение пасты для пайки по периметру соединённых стёкол и приготовление для обработки в печи для обжига;
  •  в печи температура доводится приблизительно до 450°С; температура должна быть достаточно высокой, чтобы в относительно короткий период обеспечить натянутость стеклянной пасты, обладающей низкой вязкостью;
  •  охлаждение до температуры застывания стеклянной пасты;
  •  охлаждение до температуры откачки (оптимальная температура откачки зависит от технологии, но должна быть в пределах 100 - 200°С);
  •  прикрепление системы откачки к стёклам;
  •  откачка воздуха и обезгаживание стёкол в течение приблизительно 30 мин.; охлаждение до комнатной температуры;
  •  заделка конца штенгеля и отсоединение откачивающей системы.

Весь процесс осуществляется на конвейере, составной частью которого

является печь для обжига длиной 30 м. После получения готовых вакуумированных стеклопакетов следует их механическое и тепловое тестирование, а также осмотр на наличие видимых повреждений.

Для повышения эффективности стеклопакетов, т.е. снижения! через них теплопотерь, на стекло наносится селективное (низкоэмиссионное) покрытие (см. также разд. 1.2.2). Ранее, до разработок селективного покрытия,

41

применялось покрытие, полученное путём пиролитического нанесения фтора с примесью оксида олова, известное под маркой K-glass фирмы Pilkington. В Университете Сиднея было разработано селективное покрытие с меньшей излучательной способностью, чем K-glass.

Технология производства вакуумированных стеклопакетов была передана по лицензии фирме Nippon Sheet Glass (Япония) в 1997 году [55].

В Греции, Университете Патраса, были разработаны вакуумированные стеклопакеты с герметичным швом на основе индия [56]. Шов герметизации на основе индия был разработан, чтобы уменьшить температуру нагрева стёкол с селективными покрытиями с 450°С приблизительно до 200°С, т.к. температура 450°С вызывает деградацию селективных покрытий. Например, были проведены эксперименты с четырьмя селективными покрытиями: TiCVAg/TiC^, K-glass (фирмы Pilkington), Energy Advantage (фирмы LOF), Thermoplus (фирмы Flachglas). Покрытие Ti02/Ag/Ti02 оставалось без изменений оптических свойств до 200°С. Эксперименты показали, что нагрев стёкол с покрытиями K-glass и Energy Advantage до температуры выше 550°С в течение 1 часа приводит к 5-процентному повышению пропускания ИК-излучения и к 4-процентному понижению пропускания видимого излучения, а нагрев стёкол с этими покрытиями до 350°С в течение часа не приводит к деградации селективных свойств. Нагрев стёкол с покрытием Thermoplus до 350°С разрушает ИК-покрытие.

Учитывая эти эксперименты, важно было разработать более легкоплавкий и в то же время достаточно прочный шов герметизации. Был разработан сплав для шва герметизации на основе индия.

Было протестировано 8 вариантов стеклопакетов с различным сочетанием толщины стекла (3 и 6 мм), материала шва (индий или стекло для пайки), дополнительного шва из эпоксидной смолы (с ним или без него), расстояния (шага) 8фикс между фиксаторами (40 или 25 мм). Самый лучший результат был достигнут в случае применения стёкол толщиной 6 мм, шва герметизации из материала на основе индия без дополнительного шва, а расстояние между фиксаторами было 40 мм. Коэффициент теплопередачи шва на расстоянии 20 мм от края в этом варианте равен

0,88 Вт/(м -К). Коэффициент полных теплопотерь в центре стеклопакета составил 0,36 Вт/(м"-К).

1.2.4.3. Напряжения, возникающие в вакуумированном стеклопакете

Стекло — аморфный материал, который может разрушиться вследствие напряжений сжатия или растяжения, возникающих в различных узлах конструкции В СП. Напряжения, которые возникают в В СП:

  •  напряжения от атмосферного давления: напряжение сжатия над фиксаторами, напряжение растяжения стекла над фиксаторами, напряжения вблизи краев (шва герметизации) В СП;
  •  напряжения, возникающие вследствие разности температур стекол.

Оптимизация конструкции ВСП проводится по следующим критериям:

напряжение сжатия в фиксаторах должно быть менее 1,3 ГПа; напряжение растяжения стекла над фиксаторами должно быть менее 4 МПа [48]. Чем меньше радиус фиксатора, тем меньше должен быть шаг. Авторами [48, 54] представлены диаграммы для ВСП со стеклами толщиной 3 мм и 4 мм, определяющие оптимальное соотношение «радиус — шаг» фиксаторов, основываясь на вышеназванных критериях (рис. 26).

Например, для стекла толщиной 3 мм оптимальными являются радиус фиксатора 0,2 мм и шаг 20 мм (рис. 26а). Возможно увеличение шага при той же толщине стекла (чтобы добиться уменьшения коэффициента теплопередачи), но в этом случае использовать нужно закаленное стекло [53]. Тогда необходимо применять технологию герметизации припоем на основе индия, требующей температуру не более 200°С вместо 450°С [56], т.к. при высокой температуре закаленное стекло теряет свои прочностные свойства.

Теплопроводность фиксаторов < 0.4Вт/м!К

0.1 0.2 0.3 0.1 0.2

Радиус фиксаторов, мм Радиус фиксаторов, мм

а) б)

Рис. 26. Оптимизация радиуса и шага фиксаторов в зависимости от напряжений

1.2.4.4. Влияние толщины стекол на коэффициент теплопередачи

всп

Авторы [57] провели анализ влияния толщины стекол на коэффициент теплопередачи ВСП. Согласно их расчетам, для образцов ВСП площадью 1 м х 1 м и больше при уменьшении толщины стекол увеличивается коэффициент теплопередачи ВСП, а для размеров стеклопакетов меньше 1 м наблюдается обратный эффект — уменьшение коэффициента теплопередачи ВСП при уменьшении толщины стекол. Авторы объясняют это тем, что играют роль теплопотери через швы герметизации (краевые эффекты), которые значительны при малых размерах стекол.

Согласно расчетам [48], коэффициент теплопередачи вблизи краев ВСП с рамой больше коэффициента теплопередачи в центре ВСП на 0,4 Вт/(м -К) для

условий стандарта- А8ТМ Е1423-06: внутренний и наружные коэффициенты

2 2

Разрушения ог плашпнмния фиксаторов отсутствуют

теплоотдачи соответственно 8,3 Вт/(м -К) и 30 Вт/(м -К), внутренняя и наружная температуры соответственно +21,1°С и —17,8°С.

1.2.4.5. Влияние селективного покрытия на эффективность ВСП

Авторы [58] построили зависимость коэффициента теплопередачи от излучательной способности £ поверхностей стекол ВСП и пришли к выводу, что если излучательная способность селективного покрытия £ = 0,02, достаточно нанесение одного селективного покрытия, т.к. увеличение их количества не приводит к дальнейшему снижению коэффициента теплопередачи.

При использовании «твердых» селективных покрытий, имеет смысл наносить 2 селективных покрытия, т.к. это значительно уменьшает коэффициент теплопередачи ВСП. Например, при £ = 0,16 коэффициент теплопередачи ВСП с одним селективным покрытием составляет 1,3 Вт/(м -К),

л

с двумя селективными покрытиями — 1 Вт/(м -К) (рис. 27).

0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2

Изл\ нательная способность в ИК-области

Рис. 27. Коэффициенты теплопередачи остеклений с одним и двумя селективными покрытиями для условий АБТМ [59]: температура в помещении +21,1°С, температура наружного воздуха -17,8°С, коэффициент теплоотдачи внутри помещения 8,3 Вт/(м2-К), коэффициент теплоотдачи снаружи 30 Вт/(м2-К)

До настоящего времени все исследования ВСП проводились с учетом их эксплуатации в качестве оконных ограждений. Условия эксплуатации ВСП в составе СК существенно отличаются от оконных, в частности, по рабочей температуре, углу наклона СК к горизонту, облученности Солнцем.

К прозрачным ограждениям, применяемым в солнечных коллекторах, предъявляются следующие требования: высокая пропускательная способность, стойкость к механическим нагрузкам, солнечному излучению, высоким температурам и температурным перепадам, высокий коэффициент сопротивления теплопередаче.

В данной работе представлены исследования ВСП в качестве прозрачной изоляции для солнечных коллекторов различных типов: плоских СК и СК с отражателями. Основные результаты исследований отражены в гл. 2 и 3.

Выводы к главе 1

  1.  Проведен обзор плоских жидкостных и воздушных солнечных коллекторов и солнечных коллекторов с отражателями. Представлены характеристики плоских солнечных коллекторов российского производства. Представлены некоторые профили отражателей, используемых в конструкциях солнечных установок с тепловыми приемниками.
  2.  До 90% всех тепловых потерь солнечного коллектора происходят через прозрачную изоляцию, поэтому при проектировании солнечных коллекторов значительное внимание должно быть уделено выбору прозрачной изоляции с высоким сопротивлением теплопередаче.
  3.  Наиболее часто применяемая в солнечных коллекторах прозрачная изоляция имеет ряд недостатков: низкое сопротивление теплопередаче (одинарное остекление), большую толщину и недостаточно высокий коэффициент пропускания солнечного излучения (двойное остекление, поликарбонат).
  4.  Предложено применение вакуумированных стеклопакетов как более эффективной по сравнению с одинарным и двойным остеклениями прозрачной изоляции в плоских солнечных коллекторах и солнечных

коллекторах с отражателями. По сравнению с одинарным и двойным остеклениями вакуумированные стеклопакеты имеют более высокое сопротивление теплопередаче. При этом толщина ВСП не намного больше одинарного остекления — около 6 мм.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С ВАКУУМИРОВАННЫМИ СТЕКЛОПАКЕТАМИ

2.1. Методика расчета солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом

  1.  Постановка задачи

Стендовые испытания прозрачной изоляции, в том числе ВСП, проводятся на специальном стандартизованном оборудовании с климатическими камерами [48, 60, 59], имитирующими внутренние (в помещении) и внешние (атмосферные) условия среды, кроме облучённости Солнцем, определяемые такими стандартами как ГОСТ 26602.1-99 [60] и АЭТМ Е1423-06 [59]. Проведение испытаний ВСП в составе СК на этом оборудовании не предусмотрено. Ввиду неопределённости степени вакуума, наличие которого в процессе эксплуатации невозможно оценить визуально или при помощи приборов, оценку эффективности конкретного ВСП можно произвести в сравнении с эталонным образцом, имеющим известные расчётные и экспериментальные параметры, например, подобным СК с двойным остеклением.

Далее представлена методика определения теплотехнических характеристик солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом, основанная на комплексном решении уравнений теплопередачи и зависимостей молекулярно-кинетической теории газов. Данная методика включает расчетно- экспериментальный метод определения давления разреженного газа в вакуумном зазоре по его коэффициенту теплопроводности. Последний определялся при помощи решения уравнений теплового баланса солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом.

  1.  Тепловой баланс солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом

Рассмотрим тепловой баланс солнечного коллектора с прозрачной изоляцией из ВСП и тепловой изоляцией из пенопласта в стационарном

48

режиме, предполагая, что элементы С К - бесконечные параллельные пластины (рис. 28) [61,62, 63,64].

Рис. 28. Схема солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом. Тепловой баланс: 1 - приемник солнечного излучения, 2 - внутренние каналы (трубки) 3 - теплоизоляция, 4 - крепление, 5 - уплотнитель, 6 - вакуумированный стеклопакет, 7 - первое стекло, 8 - второе стекло, 9 - фиксаторы, 10 - вакуумный зазор

5/

8 к

1

и

5 =

5 ®

5 Ь о ¡а

5/

1

а

о ж

Я прах

'тед^И!

МП

1Л№П1.1М

 

Плотность потока солнечного излучения дприх, поглощенного приемником СИ, равна сумме тепловых потерь через прозрачную изоляцию д^.из и тепловую изоляцию Цтепя.ю-

Яприх ~ Япр.из Ятеп.ц.из • (2* 1)

Кроме того, в стационарном режиме должно выполняться условие равенства плотностей тепловых потоков от приемника к первому стеклу дпр.с\, через стекла qc\ и <?С2, от первого стекла ко второму дт31 от второго стекла в окружающую среду qC2-о« от приемника через прозрачную изоляцию дприз\

Я пр. из = Япр-с\ = Яс\ = Яс2 = Язаз= Яс2-ос- (2-2)

Плотность излучения, поглощенного приемником СИ:

ЧщШ - тоЬр'Н, (2.3)

где г - коэффициент пропускания прозрачной изоляции (ВСП); апр - коэффициент поглощения солнечного излучения приемника; Я - плотность потока солнечного излучения, Вт/м2.

Плотность теплового потока через прозрачную изоляцию:

 

Т -Т

(2.4)

Чпр.

U3

_ 1 пр 1 ос

R

 

где Тпр, Toc ~ температуры приемника и окружающей среды соответственно, К; R, - общее сопротивление теплопередаче ВСП, м2К/Вт, Сопротивление теплопередаче ВСП складывается из следующих термических сопротивлений: термического сопротивления воздушного зазора между приемником и первым от приемника стеклом ВСП Rn.c], термического сопротивления стекол ВСП 2Rc, термического сопротивления вакуумного зазора между стеклами R3a3 и термического сопротивления теплоотдаче от второго стекла к окружающей среде RC2-oc-

Rt = Rnp-d + Rc\ + Лс2+ R3o3 + Rci-oc- (2.5)

Рассмотрим плотности тепловых потоков от приемника через прозрачную изоляцию (ВСП) и теплоизоляцию, показанные на рис. 29, предполагая

изотермичность каждого элемента СК, т.е. одномерность тепловых потоков.

5 6 7

Рис. 29. Схема тепловых потоков в солнечном коллекторе с вакуумированным стеклопакетом: I - приемник солнечного излучения (поглощающая пластина) 2 - теплоизоляция дна СК, 3 - вакуумированный стеклопакет, 4 - первое стекло, 5 - второе стекло, 6 - вакуумный зазор, 7 - фиксаторы; конв. - теплоперенос конвекцией, изл. - теплоперенос излучением


1. Плотность теплового потока от приемника к первому стеклу:

 

Т -Т

(2.6)

я

_1пр 1 С\

Япр-с\

пр-с\

 

где Тс 1 — температура первого стекла, К. Термическое сопротивление между приемником и первым стеклом ВСП:

Я

пр-с\

1

(2.7)

цконв р^гал пр - с 1 пр - с1

 

коне

где И

113Л

к

пр-с\' Ппр-с\

коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением в

 

2

зазоре между приемником и первым стеклом ВСП соответственно, Вт/(м -К). Коэффициент теплоотдачи конвекцией можно определить из числа Нуссельта:

(2.8)

(2.8а)

И-Ь

Ыи =■

Я '

т.е.

^КОНв _ Ми ■ \юзд пр-с\ £

где Ь — характерный размер (Ь = Звозд), Яв03д - коэффициент теплопроводности. Для расчета конвективного теплообмена между двумя пластинами с наклоном ¡3 до 75° Холландсом экспериментальным путем выведена формула зависимости между числом Нуссельта Ыи и числом Рэлея На [12, 13]:

+

+

2 1708 -(эт!^/?)1 Яа • соэ р

г»-

Яа ■ соэ р 5830

1708

(2.9)

-1

Ии = 1 +1,44

1 —

+

Яа ■ соэ Р

 

Знак «+» после квадратной скобки означает, что в расчет принимаются только положительные значения; если значение получается отрицательным, оно принимается равным 0.

(2.10)

Число Рэлея Ка вычисляется по формуле [12]:

Ла = 

у-а

где g — гравитационная постоянная, g — 9,8 м/с2; /?' — коэффициент объемного расширения, для идеального газа = ИТ, К"1; АТ — разность температур между
приемником и стеклом ВСП, К;
v - коэффициент кинематической вязкости

2 2

воздуха, м/с; а- коэффициент температуропроводности, м /с.

Коэффициент теплоотдачи излучением в зазоре между приемником и первым стеклом ВСП [68]:

ииэл _*(Тпр2с]2)(Тпр+Тс])

ПР-С1 {\/епр) + (\/ес1) — \ ' ^ • ;

где сг - постоянная Стефана-Больцмана, сг = 5,67-10"8 Вт/(м24); епр - коэффициент излучения пластины; бс\ - коэффициент излучения внешней поверхности первого стекла.

2. Плотности тепловых потоков через первое и второе стекла, переносимых за счет теплопроводности:

?«1 (2-12)

(2Л2а)

пс\

¿Та

гс2

где ЛТС1, ЛТс2 — перепад температур между поверхностями стекол, К.

Сопротивление теплопроводности стекла рассчитывается как обратная величина теплопроводности:

(2-13)

с

где 8С — толщина стекла, м; Яс - коэффициент теплопроводности стекла, Вт/(м*К).

3. Тепловой поток через вакуумный зазор:

(2.14)

заз

где Тс2 — температура второго стекла, К.

Теплоперенос в вакуумном зазоре ВСП состоит из теплоотдачи излучением Щ™, теплопроводности разреженного газа квак и теплопроводности

фиксаторов Лфикс, а термическое сопротивление вакуумного зазора соответственно:

Теплопроводность разреженного газа определяется отношением коэффициента теплопроводности разреженного газа Лвак к величине вакуумного зазора дзаз\

(2.16)

озаз

Коэффициент теплоотдачи излучением в вакуумном зазоре:

а(Т22){Т +Т )

гмзл _ с\ с2 с 1 с2 су 1 п\

(1/е1) + (1/е2)-1 ' 1 ;

где 8\, 82 — коэффициенты излучения внутренних поверхностей стекол ВСП.

Коэффициент теплопроводности разреженного газа Явак зависит от длины свободного пробега молекулы (степени вакуума); подробное описание расчета Явак с привлечением молекулярно-кинетической теории идеальных газов представлено в следующем разделе.

Теплопроводность фиксаторов, расположенных на 1 м ВСП Лфикс:

1- изаз

где Яфикс коэффициент теплопроводности фиксаторов, Вт/(м-К);

71^ ( 2~\

л _ фикс М

(2.19)

Vм2 У

фикс

Афикс~ площадь фиксаторов на 1 м стекла, рассчитывается по формуле:

 фикс

'фикс

где с1фикс - диаметр фиксатора, м;икс - шаг фиксаторов (расстояние между фиксаторами), м.

4. Плотность теплового потока от второго стекла в окружающую среду:

9,2-0« = (2-20)

с2-ос

Сопротивление теплоотдаче от внешней поверхности второго стекла к окружающей среде:
где /^-ос,
^с2-ос ~ коэффициенты теплоотдачи от внешней поверхности второго стекла к окружающей среде конвекцией и излучением соответственно.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией зависит от скорости ветра V и определяется эмпирическим выражением (формула Мак-Адамса) [12]:

/&°™с=5,7 + 3,8у. (2.22)

Коэффициент теплоотдачи излучением от стекла к окружающей среде:

а{Т22 )(Г +Т )

изл = с2 ос с2 ос (2 23)

с2 — ос п/£ ) + (!/£• )

4 с2у 4

Так как ¿о = 1 (степень черноты небосвода), формула (2.23) приобретает

вид:

и%ос = £с2СР(Т22 + Тос2)(Т2 + Тос). (2.24)

5. Плотность потока тепловых потерь через тепловую изоляцию:

Т -Т

п _ * тепл.из хос /9

Чтепл.из ~~ р »

тепл. из-ос

где Ятепл.из-ос— термическое сопротивление тепловой изоляции:

■^■тепл.из—ос ~ ^ ' (2.26)

уроне ¡1изл тепл.из

тепл.из - ос тепл.из - ос 8

тепл.из

где к^тиз.ос, к^тмз-ос ~ коэффициенты теплоотдачи от теплоизоляции в окружающую среду излучением и конвекцией, Вт/(м -К):

^тепп.из-ос ^тепл.из^^2 Тос )(72 Тос),

^°%.из-ос= 5,7 + 3,8у. (2.28)

Неизвестными в системе уравнений (2.1) - (2.28) являются: Тпр, Тс\, Тс2,

^пр-с\' ^заз ' ^с2-ос' ^пр-с\> В-заз^ В-с2-оа В-Ь Я пр. из-> Цпр-с\-> Цзаз) Яс2-оа Япр.из? Также

подлежащие определению коэффициент теплопроводности Л«,* и давление р разреженного газа в зазоре между стёклами.

Решение системы уравнений (2.1) - (2.28) производилось итерационным методом при помощи компьютерной программы Excel. При аналитическом решении теплового баланса в первом приближении задавались температуры стекол ВСП Тс1, Тс2 и коэффициент теплопроводности разреженного газа А0ак.; система уравнений решается при сведении теплового баланса и равенстве тепловых потоков через прозрачную изоляцию (формулы 2.1 и 2.2); выходные (искомые) параметры -RBcn, R-заз, Как, Р-

При экспериментальных исследованиях температуры приемника (пластины), стекол, окружающей среды, а также солнечная радиация измерялись. Температура воздуха между приемником и первым стеклом, а также температуры разреженного газа между стёклами принимались средними между температурами соседних поверхностей.

Далее по коэффициенту теплопроводности разреженного газа Хвак рассчитывается длина свободного пробега молекулы ¿о и давление р. Зависимости этих характеристик для различных степеней вакуума представлена в следующем разделе.

2.1.3. Зависимость коэффициента теплопроводности разреженного газа от давления в вакуумном зазоре ВСП

В соответствии с молекулярно-кинетической теорией коэффициент теплопроводности разреженного газа Авак зависит от степени вакуума. Вакуум условно делят на низкий, средний, высокий и сверхвысокий [66]. Низким вакуумом называется состояние разреженного газа в емкости, когда длина свободного пробега молекулы Aq существенно меньше характерного линейного размера емкости S (Aq « <5). Средним вакуумом называется разреженность газа, при которой Aq ~ S, высоким вакуумом - разреженность газа, когда Aq > 8 [66]. Сверхвысокий вакуум характеризуется очень низкой концентрацией молекул и давлением газа; длина свободного пробега молекулы оценивается десятками тысяч метров.

Перечисленные степени вакуума также можно условно характеризовать следующими интервалами давлений: низкий вакуум - от 760 до 1 мм рт. ст., средний - от 1 до 10"4 мм рт. ст., высокий — от 10~4 до 10"8 мм рт. ст.,

о

сверхвысокий — от 10" и ниже [66].

Также для характеристики степеней вакуума используется критерий Кнудсена [70], равный отношению длины свободного пробега молекулы к расстоянию между пластинами:

= (2.29)

Озаз

Вакуум по Кнудсену считается высоким при Кп >1,5 [70].

Таким образом, вакуум характеризуется, с одной стороны, давлением, а с другой - отношением длины свободного пробега молекулы Ао к расстоянию между пластинами д.

Однако, при низком вакууме коэффициент теплопроводности газаЯ„ еак не зависит от давления [69, 66] и рассчитывается по формуле [66]:

2 \кТ с

4»« = з lür^.m.dS' (2'30)

где к — постоянная Больцмана, к = 1,38-10" Дж/К; Т — средняя температура между стеклами, принимается равной (Тс\ + Гс2)/2, К; m — масса молекулы, cv  мольная теплоемкость газа, dM - диаметр молекулы, м; для легких газов (Н2, 02, N2, воздух) обычно пользуются величиной dM = 1,7*10"10 м [66]; Na - число Авогадро, Na = 6,02-1023 моль"1. Подставляя m = M/Na, к = Rq/Na в формулу (2.29), ее можно преобразовать в следующий вид:

К.вак -—' (2-31)

м

где RQ — универсальная газовая постоянная, равная Ro = 8,314 Дж/(моль*К); М - молекулярная масса газа (молекулярная масса азота Мт ~ 0,028 кг/моль); после подстановки значений констант - в более удобную формулу:

^=0,715.10"23-^J|-. (2.32)

им V

Выведем зависимости условного коэффициента теплопроводности и давления разреженного газа при среднем и высоком вакууме. Если пренебречь конвекцией между двумя пластинами (как в случае ВСП, когда величина зазора составляет 0,2 мм), удельный тепловой поток между двумя бесконечными параллельными пластинами, который переносится теплопроводностью через единицу площади в единицу времени, определяется как:

Чгаэ=^{ТсХс2), (2.33)

Озаз

где Лвак - условный параметр, аналог коэффициента теплопроводности, не являющийся свойством газа, т.к. происходит молекулярный теплоперенос от пластине к пластине без столкновений молекул.

При среднем вакууме плотность теплового потока, переносимого молекулами [66, 72]:

I 2/?

(234)

Объединяя формулы (2.33) и (2.34), получим давление разреженного газа в вакуумном зазоре:

Р = (2.35)

При высоком вакууме (молекулярные условия переноса газом тепловой энергии) плотность теплового потока, переносимого молекулами [48]:

Я

о

Я0

вак и

%пМГ У с] с2

У+1

с]с2)-р, (2.36)

у-1

где ао — коэффициент аккомодации; = 0,2 - 0,95 [72]; у - поправочный коэффициент, представляющий собой отношение молярных теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме у = ср/су.

Когда молекулы газа, который находится при температуре Т, сталкиваются с поверхностью нагретой стенки, температура которой Т', то при первом столкновении полного обмена энергии не происходит; может потребоваться много столкновений, прежде чем это произойдет. При первом
столкновении молекулы, отскакивающие от нагретой стенки, обладают средней энергией, меньшей, чем обладали бы при температуре
Т'. Допустим, эта энергия соответствует температуре Т", тогда коэффициент аккомодации можно определить отношением [71]:

ап

у1! I у1

(2.37)

о т'—Т

(2.38)

Коэффициент аккомодации для двух поверхностей рассчитывается по

формуле:

а0 =

ах2- аха2

где а\ и <22 — коэффициенты аккомодации молекул газа на первой и второй поверхностях. Если а\ = а2 = 0,9 [48, 66], то ао = 0,82.

Давление согласно молекулярно-кинетической теории газов:

Р =

кТ

(2.39)

л/2 • 7Гс12 Я м 0

 

Подставляя (2.39) в (2.36) получаем:

а0 Ч ~ ~л

к

7

1с2) 4 Лп Ус 1 с2) (2.40)

7-1 )\7ГМ шЦХъ -V/ V -0

+ П 1*оТ

Приравнивая (2.33) и (2.40) получаем уравнение для расчета длины свободного пробега молекулы А^:

а

1 - 0

у + 1

у3!

I

(2.41)

заз

•н.вак'

Л,

'вак

 

где Хн.вак - коэффициент теплопроводности газа при низком вакууме. Далее по формуле (2.39) определяем давление разреженного газа р.

В литературе [69, 66, 70, 72, 71] приводятся и другие формулы, связывающие коэффициент теплопроводности и давление разреженного газа; подробный анализ этих формул выполнен в [67]. Сходимость результатов расчета коэффициента теплопроводности при высоком вакууме по формулам, предлагаемым различными авторами, высока.

Итак, алгоритм расчета давления разреженного газа состоит из следующих стадий:

  1.  Решение теплового баланса солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом и определение коэффициента теплопроводности разреженного газа Хвак.
  2.  Расчет длины свободного пробега молекулы Я0 и определение степени вакуума по критерию Кнудсена.
  3.  Определение давления разреженного газа р. Блок-схема алгоритма расчета представлена в приложении 1. Определим, какие характеристики должен иметь В СП для превышения

сопротивления теплопередаче одинарного и двойного остеклений, пользуясь описанным выше алгоритмом.

2.2. Расчет характеристик вакуумированных стеклопакетов, обеспечивающих повышение эффективности солнечных коллекторов

Для того чтобы определить, какое давление разреженного газа должно быть в зазоре ВСП и сколько селективных (низкоэмиссионных) покрытий целесообразно наносить, чтобы его сопротивление теплопередаче превышало сопротивление теплопередаче одинарного и двойного остеклений с селективным покрытием, были приняты условия, как в [12] (см. табл. 6), при которых характеристики одинарного и двойного остеклений известны: температура приемника солнечного излучения tnp = 100°С; температура окружающей среды toc = - 20°С; коэффициент теплоотдачи конвекцией от стекла в окружающую среду h^'oc = 20 Вт/(м2-К). При этих условиях

сопротивления теплопередаче одинарного и двойного остеклений с

2 2

селективным покрытием соответственно: 0,24 м -К/Вт и 0,36 м -К/Вт (см. также табл. 6).

Определяемыми параметрами ВСП солнечного коллектора были: • давление в вакуумном зазоре;

  •  количество «твердых» селективных (низкоэмиссионных) покрытий с излучательной способностью ОД*;
  •  стоимость.

Коэффициент излучения стекол варьировался (см. рис. 30, 31): были рассчитаны варианты ВСП без селективных покрытийс\, б\, б2, есг — 0,95), с одним «твердым» селективным покрытием с излучательной способностью 0,1 на внутренней поверхности стеклас[, б2, ес2 = 0,95; б\ = 0,1), с двумя селективными покрытиями на внутренних поверхностях стекол (ес1, бс2 0,95; б\, б2 = 0,1), с тремя селективными покрытиямис\, бс2, ех = 0,95; б2 0,1) и с четырьмя селективными покрытиями на всех поверхностях стеколсь б\, б2, бс2 = 0,1). Перечисленные варианты были рассчитаны для двух случаев: для приемника без селективного покрытия и с селективным покрытием (коэффициенты излучения епр = 0,95 и бпр = 0,1; коэффициент поглощения приемника СИ в обоих случаях а„р = 0,95; т.е. в первом случае селективность приемника апрпр = 1, во втором случае апрпр = 9,5).

Остальные значения были приняты следующими: твсп = 0,80; £Ь = 1; Р = 45°; дзаз = 0,0002 м; 8С = 0,004 м; Лс = 0,74 Вт/(м-К); Яфикс = 0,74 Вт/(м-К); Лфикс= 0,0004 м; Бфшс = 0,025 м; коэффициент теплопроводности теплоизоляции из пенопласта Лтеш,ш = 0,024 Вт/(м-К) [12]; = 0,05 м; коэффициент

теплопроводности воздуха при 80°С Хвозд = 0,0302 Вт/(м-К) [12]; ао - 0,81 [72]; у = 1,4 [69]; ¿м = 1,7-10"10 м [66]; величина воздушного зазора между пластиной и внутренним стеклом ВСП 8возд = 0,025 м.

На рис. 30 и 31 представлены результаты расчетов: зависимость сопротивления теплопередаче ВСП от давления разреженного газа внутри

«Твердые» селективные (низкоэмиссионные) покрытия для стекол имеют излучательную способность 0,1 — 0,18 (согласно ГОСТ 30733-2000 «Стекло с низкоэмисионным твердым покрытием. Технические условия» излучательная способность «твердого» селективного покрытия должна быть не более 0,18). Для теоретических расчетов была принята минимальная излучательная способность «твердого» селективного покрытия. «Мягкие» селективные покрытия не рассматривались, т.к. они не выдерживают температуры более 200°С и на вакуумированные стеклопакеты, как правило, не наносятся (температура при изготовлении вакуумированного стеклопакета обычно достигает 450°С). См. также раздел 1.2.2. «Стекла с селективными покрытиями».

вакуумного зазора и количества «твердых» селективных покрытий на ВСП с излучательной способностью е= 0,1 [63].

-з— ВСП с тремя и четырьмя селективными покрытиями ВСП с двумя селективными покрытиями ВСП с одним селективным покрытием -©- двойное остекление с селективным покрытием

ВСП без селективного покрытия -Х- двойное остекление без селективного покрытия или одно стекло с селективным покрытием  одно стекло без селективного покрытия

-4 -3 -2 -1 0

Показатель степени при основании 10, давление в мм рт ст.

Рис. 30. Зависимость сопротивления теплопередаче ВСП от давления разреженного газа в вакуумном зазоре и коэффициента излучения поверхностей стекол; коэффициент излучения приемника апр - 0,95, епр = 0,95 (апрпр = 1)

Как видно из рис. 30 и 31, до точек перегиба, которым соответствует

о

вакуум 10" мм рт. ст., наблюдается увеличение сопротивления теплопередаче, а далее оно практически не зависит от давления. При наличии одного селективного покрытия сопротивление теплопередаче ВСП составляет 0,77 м2-К/Вт, а при наличии селективного покрытия на ВСП и на приемнике (рис. 31) или двух селективных покрытий на ВСП (рис. 30) - 0,93 м -К/Вт. Пороговые значения достигаются при вакууме 10"4 мм рт. ст.: при наличии

л

одного селективного покрытия Ях = 0,82 м -К/Вт, двух селективных покрытий

2

= 1,02 м -К/Вт. Нанесение трех или четырех селективных покрытий

 

2

увеличивает сопротивление теплопередаче приблизительно до 1,2 м -К/Вт.

-О- ВСП с тремя и четырьмя селективными покрытиями -♦- ВСП с двумя селективными покрытиями -А- ВСП с одним селективным покрытием

ВСП без селективного покрытия -©- двойное остекление с селективным покрытием

двойное остекление без селективного покрытия или одно стекло с селективным покрытием  одно стекло без селективного покрытия

 

О -н

\\ \Ч

¿с а

к

К. \л

X \

X \\

\ \ч

\ X \

X

<1 <

■к)   ;

)

  _____

«1

 |-тт<

^ »

< >

¡е >

£

Р^  4

 

1         

-5

1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

ь

69 «

*—^

о" 3"

й «

и> о, и> с о с; с

И)

ь

И)

к

X

<и с: со к н о п. с о

и

-4 -3 -2 -1 0

Показатель степени при основании 10, давление в мм. рт. ст.

 

Рис. 31. Зависимость сопротивления теплопередаче ВСП от давления разреженного газа в вакуумном зазоре и коэффициента излучения поверхностей стекол; коэффициент излучения приемника апр = 0,95, епр = 0,1; &пр1 &пр 9,5

Следует отметить, что нанесение селективного покрытия на ВСП дает намного больший эффект, чем нанесение селективного покрытия на приемник (ВСП при этом без селективного покрытия): сопротивления теплопередаче при давлении разреженного газа 10" мм рт. ст. составляют соответственно 0,77 и 0,45 м2-К/Вт.

Сопротивление теплопередаче ВСП без селективных покрытий в условиях работы солнечного коллектора не намного превышают сопротивление теплопередаче двойного остекления (рис. 30), поэтому нанесение селективного покрытия на ВСП для прозрачной изоляции солнечного коллектора — обязательное условие.

Был оценен вклад вакуумного зазора в сопротивление теплопередаче ВСП. Без селективных покрытий на стеклах вклад вакуумного зазора в общее

сопротивление теплопередаче составляет 17 % при низком вакууме

1 ' 2 (10' мм рт. ст.), 36 % при вакууме 10" мм рт. ст. и 40 % при более высоком

3 5

вакууме (10" — 10" мм рт. ст.).

При наличии селективных покрытий вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче равен ~ 20 % при вакууме 10"1 мм рт. ст., ~ 60 %

2 3 5

при вакууме 10" мм рт. ст. и до 77 % при более высоком вакууме (10" - 10" мм рт. ст.). Это объясняется тем, что при низком вакууме теплопередача через вакуумный зазор осуществляется преимущественно за счет теплопроводности разреженного газа, и поэтому вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче невелик; когда при более высоком вакууме теплопроводность разреженного газа значительно уменьшается, вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче возрастает, а теплопередача осуществляется в большей степени излучением. Это наглядно продемонстрировано в табл. 8 и 9, в которых показан вклад каждой составляющей теплопередачи в вакуумном зазоре: теплопроводностью разреженного газа, излучением и теплопроводностью фиксаторов.

Снизить тепловые потери излучением помогает нанесение селективных покрытий. При этом вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче, как было сказано, возрастает до 77%.

Чтобы наглядно проиллюстрировать вклад каждой составляющей теплопереноса в вакуумном зазоре в ВСП без селективных покрытий и с селективным покрытием, на рис. 32 и 33 данные табл. 8 и 9 представлены в виде графиков (в процентах).

Таблица 8

Тепловой поток

I

¡акуум, мм рт. ст.

Г1

Г

101

10

сч

3 га

%

/—Ч

<ч"

га

%

/—Ч

г/

СО

%

гч

3

со

%

Я

<ч"

з га

%

т,

лгаз

с

°заз

13,04

69,6

1,29

17,6

0,13

2,1

0,013

0,2

0,0013

0,02

ишл

"заз

4,96

26,5

5,28

72,2

5,34

86,0

5,34

87,6

5,34

87,8

Лфикс

0,74

3,9

0,74

10,1

0,74

11,9

0,74

12,1

0,74

12,2

2

Составляющие потоков теплопередачи через вакуумный зазор, Вт/(м -К);

В СП без селективных покрытий

Таблица 9 2

Составляющие потоков теплопередачи через вакуумный зазор, Вт/(м -К); В СП с одним селективным покрытием

Тепловой поток

Б

»акуум, мм рт. ст.

Г

Г

10*

-4

Ю"3

Я

с-/

з СО

%

гч"

т

%

Я

сУ

з

га

%

у—ч

¥

ся'

з т

%

Я

ся'

з га

%

т,

лгаз ^заз

13,01

90,6

1,28

47,6

0,13

8,3

0,013

0,9

0,0013

0,09

"заз

0,61

4,2

0,67

24,9

0,69

44,2

0,69

47,8

0,69

48,2

Л-фикс

0,74

5,2

0,74

27,5

0,74

47,4

0,74

51,3

0,74

51,7

Как видно из рис. 32, теплоперенос излучением через ВСП без селективных покрытий при вакууме 10" мм рт. ст. составляет около 88 %, поэтому нанесение одного селективного покрытия на внутреннюю поверхность ВСП необходимо. Нанесение двух и более селективных покрытий значительно удорожает солнечный коллектор*.

Таким образом, наиболее рациональными параметрами ВСП следует признать вакуум 10"3 мм рт. ст. и одно селективное покрытие с излучательной

способностью 0,1. При этих параметрах сопротивление теплопередаче ВСП составляет 0,77 м -К/Вт, что больше в 3 раза, чем у одинарного остекления с селективным покрытием и в 2 раза больше, чем у двойного остекления с селективным покрытием.

Рис. 32. Вклад составляющих теплопереноса в вакуумном зазоре для ВСП без селективных покрытий

геашо про водность разреженного газа тенлолереное излучением теплопроводность фиксаторов

-5 -4 -3 -2 -1

Показатель степени при основании [0. давление в мм рт. ст.

Рис. 33. Вклад составляющих теплолереноса в вакуумном зазоре для ВСП с селективным покрытием

Расчеты общего сопротивления теплопередаче ВСП при различных степенях вакуума, степени излучения приемника и поверхностей стекол, представлены в табл. 10.

Таблица 10

Общее сопротивление теплопередаче Rt различных типов прозрачного ограждения, (м2-К)/Вт, при условиях: tnp = 100°С; toc = - 20°С;

КТос = 20 Вт/(м2-К)

Тип остекления

Степень излучения приемника

Количество селективных покрытий = 0,1)

Вакуум, мм рт. ст.

-

10

1

ю-1

10"2

10°

Ю'4

ю-5

Одно стекло

£цр = 0,95

0,13

ОДНО

0,24

Двойное остекление

Snp= 0,95

0,24

одно

0,36

ВСП

snp = 0,95

0,15

0,15

0,19

0,27

0,29

0,30

0,30

одно

0,24

0,25

0,21

0,50

0,77

0,82

0,83

два

0,25

0,26

0,22

0,55

0,93

1,02

1,03

три

0,27

0,28

0,34

0,69

1,09

1,17

1,18

ВСП

snp= ОД

0,36

0,37

0,33

0,42

0,45

0,46

0,46

одно

0,38

0,39

0,34

0,64

0,93

0,98

0,99

два

0,40

0,41

0,34

0,69

1,09

1,17

1,18

три

0,41

0,42

0,36

0,71

1Д1

1,20

1,21

С целью сравнения характеристик выпускаемых промышленностью ВСП с представленными выше расчетными данными были проведены испытания демонстрационных образцов ВСП, выпускаемых ОАО «Плазма» (г. Рязань). По результатам натурных экспериментов были рассчитаны сопротивление теплопередаче ВСП, коэффициент теплопроводности и давление разреженного газа в вакуумном зазоре. Расчеты проводились согласно методике, описанной в разд. 2.1. Описание эксперимента и результаты испытаний представлены в следующем разделе.

2.3. Экспериментальное исследование макета солнечного коллектора с вакуумированными стеклопакетами

2.3.1. Описание эксперимента

Для того чтобы сравнить в идентичных натурных условиях два типа прозрачной изоляции (ВСП и двойное остекление с воздушным зазором) и оценить степень вакуума в ВСП, был изготовлен макет солнечного коллектора (рис. 34). Его схема представлена на рис. 35.

Рис. 34, Испытания макета солнечного коллектора с двумя типами прозрачной изоляции: двойным остеклением и ВСП

Макет солнечного коллектора представляет собой монолитный корпус из пенопласта 1 с двумя ячейками одинакового размера, на дне которых располагаются дюралевые пластины 2 толщиной 3 мм, покрытые со светопоглощающей стороны чёрной краской. Одна из ячеек покрывалась вакуумированным стеклопакетом 3 размером 500 мм х 500 мм с зазором между стёклами 0,2 мм, а другая - двойным оконным остеклением 4 размером 500 мм х 500 мм с зазором 5 мм; толщины всех стёкол и их другие размеры, уплотняющие узлы и детали были одинаковыми. Корпус покрывался пенопластовой маской 5 и для придания конструкции жёсткости стягивался болтами 6,

б)

Рис, 35. Макет солнечного коллектора с ВСП и двойным остеклением для сравнительных испытаний: а) разрез, б) вид сверху: 1 - корпус из пенопласта, 2 - дюралевые пластины, 3 - ВСП 500 мм х 500 мм с зазором 0,2 мм, 4 - двойное оконное стекло 500 мм х 500 мм с зазором 5 мм;

5 - пенопластовая маска; 6 - болты; 7 - термопары; 8 - места крепления термопар,

9 - металлизированный скотч

ВСП и двойное остекление были с «твердыми» селективными покрытиями с излучательной способностью 0,18. Селективное покрытие на двойном остеклении нанесено на поверхность стекла, обращенную к приемнику солнечного излучения, на ВСП - на внутреннюю поверхность первого от пластины стекла.

Температуры пластин под двойным остеклением и ВСП измерялись при помощи хромель-копелевых термопар 7, которые с тыльной стороны макета зачеканивались в пластины и выводились наружу через пенопластовую теплоизоляцию. Температура наружного воздуха 1ос и температуры стекол 1С\ и
¿
С2 также измерялись хромель-копелевыми термопарами. Термопары, измеряющие температуры стекол, были экранированы от солнечного излучения. Все термопары подключались к компьютеру через согласующие устройства: модуль ввода аналоговый МВА-8 и сетевой адаптер АСЗ. Схема испытательного стенда представлена на рис. 36.

 

Солнечное излучение

Рис. 36. Автоматическое измерение параметров макета солнечного коллектора и окружающей среды: всп

всп

cl

дв.ст пл

t

1т — температура пластины под ВСП, °С;

t.

— температура первого от пластины стекла ВСП, °С;

,всп

tcl — температура второго стекла ВСП, °С;

t

температура пластины под двойным остеклением, °С;

дв.ст с2

- температура наружного стекла двойного остекления, °С; toc~ температура окружающей среды, °С; Н- плотность суммарной солнечной радиации, Вт/м2

 

Натурные эксперименты проводились на испытательной площадке ГНУ ВИЭСХ (г. Москва). Макет был установлен стационарно, имел ориентацию продольной оси «восток-запад» с направлением нормали на Солнце в солнечный полдень.

Целями эксперимента являлись:

  1.  предварительная оценка вакуума (если температура пластины под ВСП больше температуры пластины под двойным остеклением, значит, сопротивление теплопередаче ВСП больше, чем двойного остекления, и, следовательно, в зазоре есть вакуум);
  2.  расчет коэффициента теплопроводности разреженного газа Хвак по экспериментальным данным путем решения системы уравнений теплового баланса (см. разд. 2.1.2) методом итераций при условии равенства тепловых потоков через ВСП;
  3.  определение длины свободного пробега молекулы Ло; оценка степени вакуума по критерию Кнудсена;
  4.  определение давления разреженного газа р;
  5.  расчет теплотехнических характеристик СК с ВСП Язаз)-

2.3.2. Краткое описание измерительных приборов и оценка погрешностей измерений

Для определения суммарной радиации использовался пиранометр «Пеленг СФ-06» [73], установленный в той же плоскости, что и макет солнечного коллектора. Диапазон измеряемого излучения пиранометра составляет 0,3...2,4 мкм. Принцип действия пиранометра основан на преобразовании манганин-константовыми , термобатареями головки пиранометра энергетической освещенности, создаваемой солнечным излучением, в электрический сигнал в аналоговой форме.

Датчик пиранометра представляет собой квадратную термобатарею из манганиновых и константановых термоэлементов, соединенных между собой последовательно. Поверхность термобатареи покрыта сажей и магнезией, таким образом, чтобы четные спаи были окрашены в белый цвет, а нечетные — в черный. Под действием солнечной радиации черные спаи нагреваются сильнее, чем белые, и в цепи возникает термоэлектрический ток, сила которого пропорциональна измеряемой солнечной радиации. Коэффициент преобразования головки пиранометра «Пеленг СФ-06» равен 13,5 (мВ-м )/кВт.

Скорость ветра измерялась электронным анемометром АРЭ-М [74], предназначенным для измерения скоростей воздушного потока от 0,3 до 35 м/с. Датчик ветра (вертушка) преобразует скорость воздушного потока в частоту следования электрических импульсов, пропорциональной скорости воздушного потока. Пульт предназначен ■ для преобразования электрических импульсов датчика ветра в значение скорости воздушного потока, отображаемое на цифровом табло пульта.

Температуры измерялись хромель-копелевыми термопарами ДТТЬО 11-0,5. Принцип действия термопар основан на эффекте Зеебека, в соответствии с которым нагревание точки соединения двух разнородных проводников вызывает электродвижущую силу (термоЭДС) на противоположных концах цепи. Величина термоЭДС определяется химическим составом проводников и зависит от температуры нагрева. Так как характеристики всех типов термопар в той или иной степени являются нелинейными функциями, в аналоговом модуле ввода МВА-8 предусмотрены средства для линеаризации показаний [75].

Диапазоны измерения и точность приборов

В табл. 11 представлены диапазоны измерений и точность приборов, используемых для измерения параметров во время проведения натурных экспериментов.

Таблица 11

Наименование прибора

Измеряемый параметр

Диапазон измерения

Точность измерения

Головка пиранометра «Пеленг СФ-06»

Солнечная радиация

10-М600 Вт/м2

2%

Анемометр «АРЭ-М»

Скорость ветра

0,3 - 35 м/с

2%

Термопары хромель- копелевые ДТТЬО 11-0,5

Температура

-50 - +300°С

2%

МВА-8 при замере Т

Температура

-

0,5 %

МВА-8 при замере солнечной радиации

Солнечная радиация

-

0,25%

Суммарная относительная погрешность измерения солнечного излучения составит:

Акшл = Акпир + Акмвл-8 = 2,25 %, (2.42)

где Акпир - относительная погрешность пиранометра, Акмвл-8 — относительная погрешность аналогового модуля ввода.

Суммарная относительная погрешность определения температуры:

Ак( = Актерм + А кмвл-8 =2,5 %, (2.43)

где Актерм — относительная погрешность хромель-копелевых термопар.

71

2.3.3. Результаты испытаний

В течение 2007 - 2008 гг. были испытаны 7 образцов ВСП 500 мм х 500 мм производства ОАО «Плазма» (г. Рязань) в сравнении с двойным остеклением с селективным покрытием на макете солнечного коллектора (рис. 33, 34). Образцы ВСП были двух типов:

  1.  из стекол толщиной 4 мм с вакуумным зазором 0,2 мм (СЛОВ 500x500x8: 4,0К - 0,2 - 4,0*) - 3 шт.;
    1.  из стекол толщиной 4 мм и 2,5 мм с вакуумным зазором 0,15 мм (СПОВ 500x500x6,5: 4,0К - 0,15 - 2,5) - 3 шт.

ВСП и двойное остекление были с «твердыми» селективными покрытиями с излучательной способностью 0,18.

Протоколы испытаний представлены в приложении 2. На рис. 37 представлен типичный результат сравнительных экспериментов.

Как видно из графика, температура пластины под ВСП была больше, чем температура пластины под двойным остеклением ~ на 25°С, это говорит о наличии вакуума в ВСП.

Был проведен расчет сопротивления теплопередаче ВСП и двойного остекления по алгоритму, представленному в разд. 2.1. В расчете были использованы экспериментальные данные (температуры, солнечная радиация). Остальные значения были приняты, как в разд. 2.2.

Параметры воздуха в зависимости от температуры [76]

Значения некоторых параметров воздуха между пластиной и стеклом принимались в зависимости от температуры (табл. 12).

Таблица 12

Температура, °С

у, м2

а, м2

Лсозд, Вт/(м-К)

80

2,1 МО-5

3,02-10°

0,0305

90

2,2110°

3,19-10°

0,0313

100

2,3 МО"3

3,36-10°

0,0321

120

2,55-Ю"5

3,68-10°

0,0334

Обозначения в маркировке вакуумированного стеклопакета: СПОВ - стеклопакет паяный однокамерный вакуумированный; 500x500x8 - ширина, высота и толщина стеклопакета в мм; 0,4 - толщина стекла в мм; К - «твердое» селективное покрытие; 0,2 - величина вакуумного зазора в мм; 0,4 - толщина стекла в мм.


  •  температура окружающей среды -температура пластины под двойным остеклением
  •  температура перпого от члаипшы стекла ВСП -температура второго (наружного) стекла дпойного остекления

-температура пласпгсгы под ВСП

  •  солнечная радиация
  •  температура второго (нар\ жного) итекла ВСП

■Д АА А А ""Л1 ¿г

j. ГГТ~А'  А-*-*-*--*-*-*-*-*-А А А А А-

г)

3

со

о

о

CS

а. £

я с.

и

с

3 4)

Н

* К

ее &

К ее

£ м 0) т«

6 о U

i:00 10 30 11.00 11-30 12.00 12-30 13 00 13 30 14 00 14 30 15 00 15'30 16 00

Время суток

Рис. 37. Зависимость температур пластин под ВСП и двойным остеклением, температуры окружающей среды и солнечной радиации от времени суток

По измеренным температурам пластин, радиации, температуре окружающей среды и другим параметрам составлялся баланс плотностей тепловых потоков путем варьирования коэффициента теплопроводности разреженного газа. После определения коэффициента теплопроводности рассчитывалась длина свободного пробега молекулы Яо по формуле (2.41), и по формуле (2.39) - давление разреженного газа.

В табл. 13 показаны сопротивления теплопередаче испытанных образцов ВСП, вклад вакуумного зазора в сопротивление теплопередаче, коэффициент теплопроводности разреженного газа и давление внутри вакуумного зазора. Как видно из таблицы, среднее значение сопротивления теплопередаче составляет 0,47 м -К/Вт при вакууме 7-10" и коэффициенте теплопроводности разреженного газа Хвак = 1,76-10"4 Вт/(м-К). Вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче ВСП составляет 76,6 %.

Таблица 13

Номер образца

Квсп-> м2'КЛВт

Ааи м2КЛВт

хЮО

квсп %

Лют Вт/(м-К)

Л0, м

р, мм рт. ст.

н

1 £3

"О 1—ч

Явсл-Ядв.ст хШ0,

^дв.ст %

I

0,50

0,39

78,0

1,18-Ю"4

0,062

5-10'3

0,36

38,9

II

0,47

0,35

77,8

1,97-10"4

0,036

8-10'3

0,34

38,2

П1

0,49

0,38

77,6

1,48-10Ч

0,049

6-10"3

0,35

40,0

IV

0,46

0,36

76,6

1,76-Ю"4

0,042

7-10*

0,34

35,3

V

0,43

0,31

72,1

2,47-10"4

0,030

КГ1

0,33

30,3

VI

0,44

0,33

75,0

2,22-10"4

0,033

9-10*

0,32

37,5

Следует отметить, что один из демонстрационных образцов ВСП разрушился, когда температура пластины достигла 104,5°С [62, 77]. Вероятно, причиной повреждения ВСП стала разница температур внутреннего и наружного стекол и, как следствие, - разное термическое расширение стекол: из-за наличия шва герметизации, стекла ВСП неподвижны друг относительно друга, это и могло стать причиной возникновения трещин, которые распространилась по всей площади ВСП.

Для того чтобы ВСП не разрушались при высоких перепадах температур стекол, необходимо подбирать стекла с разными коэффициентами расширения: стекло, расположенное ближе к приемнику должно иметь коэффициент расширения меньше чем стекло, расположенное снаружи.

На рис. 38 для сравнения представлены расчетные и экспериментальные сопротивления теплопередаче вакуумированных стеклопакетов.

Сопротивление теплопередаче испытанных образцов ВСП и двойного

остекления (е = 0,18)

Полученное экспериментальным путем значение сопротивления теплопередаче ВСП выше, чем сопротивление теплопередаче двойного остекления с селективным покрытием в среднем на 38,2 %. Для достижения расчетного значения сопротивления теплопередаче необходимо наносить селективное покрытие с излучательной способностью е — 0,1 и создавать вакуум не ниже 10"3 мм рт. ст.

-*- ВСП с селективным покрытием с излучательной способностью 0,1

-в- ВСП с селективным покрытием с излучательной способностью 0,18

-♦-двойное остекление с селективным покрытием с излучательной способностью 0,18

11-—-

\

X „

> л х х

X

А Экспериментал

ьные данные (ВСП)

X Экспериментал

ьные данные (двойное ос

текление)

-■■  1 1

-3 -2

Показатель степени при основании 10, давление в мм рт. ст.

-1

0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

н Щ

Я

г»

5

и

3"

л и с о

и

н и

и с;

И

о л с о

и

 

Рис. 38. Сравнение расчетных и экспериментальных характеристик ВСП

2.4. Испытания промышленных солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами

Для того чтобы сравнить эффективность солнечного коллектора с штатным (одинарным) остеклением и солнечного коллектора с вакуумированным стеклопакетом были проведены их сравнительные испытания в натурных условиях (рис. 39).

Для сравнительных испытаний были выбраны солнечные коллекторы ОАО «Ковровский механический завод» (см. табл. 3), т.к. одной из положительных особенностей конструкции СК ОАО «КМЗ» является легкость

замены прозрачной изоляции. Были проведены сравнительные испытания СК с заводским остеклением, и СК с вакуумированными стеклопакетами (4 испытательных образца), изготовленными на заказ, с размерами 945 мм х 886 мм. Изменения конструкции СК при этом не потребовалось, т.к. толщина ВСП не намного превышает толщину одинарного остекления.

Рис. 39. Сравнительные испытания солнечных коллекторов ОАО «КМЗ» с одинарным остеклением и ВСП

Полученное количество тепла <2 за время г0= 1 ч с 1 м , рассчитывалось

по формуле, Вт-ч/м :

дуср^ж-ъут0, (2.44)

где ср - удельная теплоемкость воды, Втч/(кг-К), С - удельный расход воды, кг/(ч-м2), 1вых, 1вх - температура воды на выходе и входе модуля. КПД солнечного коллектора определялся по выражению:

Q

(2.45)

"V

у

где Н- суммарная солнечная радиация, Вт/м .

Рассчитанные по формуле (2.44) КПД солнечного коллектора с заводской прозрачной изоляцией (одинарное остекление) и вакуумированным стеклопакетом составили в среднем соответственно 37 % и 45 %, что подтверждает преимущество ВСП перед одинарным остеклением.

2.5. Определение степени вакуума в вакуумированном стеклопакете при помощи вещества-индикатора

Как было отмечено в разд. 2.1, вакуум внутри ВСП является1

неконтролируемой средой, не поддающейся измерению вследствие

герметичности ВСП и очень малого зазора между стеклами. Для потребителя

важно знать в любой момент времени при эксплуатации ВСП, имеется ли в нем

вакуум, для того чтобы в случае деградации вакуума, заменить ВСП на новый.

Для этой цели предлагается поместить внутрь ВСП вещество-индикатор,

меняющий цвет при повышении давления разреженного газа. Это вещество

должно удовлетворять следующим требованиям (условия соответствуют

режиму изготовления ВСП [49]): изменять цвет при изменении давления

1 .

рабочей среды (разреженного воздуха) от 10" мм рт. ст. до 10" мм рт. ст.; «выдерживать» нагрев до 450°С со скоростью 5°С/мин. и выдержку при этой температуре в течение 30 мин при атмосферном давлении; не разрушаться при. последующей откачке воздуха от атмосферного давления до вакуума 5-10"5 мм рт. ст., начиная с температуры 370°С до комнатной со скоростью охлаждения 5°С/мин.; не реагировать при контакте с оконным стеклом при указанных выше условиях.

В качестве вещества-индикатора предлагается использовать синтетические цеолиты типа А, модифицированные путем ионного обмена, например, А%А (формула А§2ОА12Оз-8Ю2). Цеолиты модифицируют, вводя в структуру элементы, способные образовывать с водой окрашенные гидраты. Например, серебро или ванадий. Цвет гидратов меняется в зависимости от содержания молекул воды в них.

Цеолит AgA может служить в качестве индикатора малых количеств (40 - 70 частей на миллион) паров воды. Цеолит AgA является термостойким до температуры 450°С, поэтому может применяться в вакуумном зазоре ВСП.

3 3

Цеолит AgA при повышении давления паров воды от 10" до 2-10" мм рт. ст. меняет цвет с коричневого на оранжевый, при 5-10"2 мм рт. ст. -

с оранжевого на светло-желтый, а в интервале давлений от 0,8-10 1 до 10"' мм рт. ст. из желтого через розовый переходит в серо-белый [78].

Способность указанного вещества изменять цвет в зависимости от давления проиллюстрирована на рис. 40.

1 р

/

—1—

1—

—I—

—►

103 210' 2-Ю"1 4-102 6-Ю"2 810"2 10Г' Л мм рт. ст.

Рис. 40. Изменение цвета цеолитов AgA в зависимости от давления

Разработка способа оценки степени вакуума в ВСП была проведена совместно с РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Выводы к главе 2

  1.  Разработана методика определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов с вакуум ированными стеклопакетами, включающая расчетно-экспериментальный метод определения давления внутри вакуумного зазора.
  2.  Проведен расчет оптимальных характеристик ВСП. Для того чтобы сопротивление теплопередаче ВСП превышало сопротивление теплопередаче одинарного и двойного остеклений с селективным покрытием, необходимо нанесение одного селективного покрытия с излучательной способностью 0,1 на внутреннюю поверхность стекла ВСП и создание вакуума не ниже 10" мм рт. ст. При этих значениях сопротивление теплопередаче ВСП составит 0,77 (м *К)/Вт и больше, чем у остекления с селективным покрытием в 3 раза, чем у двойного остекления с селективным покрытием в 2 раза.
  3.  Проведены сравнительные испытания в натурных условиях макета солнечного коллектора с ВСП и двойным остеклением. Результаты испытаний показали, что в среднем сопротивление теплопередаче испытанных образцов ВСП равно 0,47 м -К/Вт при вакууме 7-10"1 мм рт. ст., что превысило сопротивление теплопередаче двойного

78

остекления с селективным покрытием на 30 — 40 %. Расхождение расчетных и экспериментальных результатов не превышает 7 %.

  1.  Проведены сравнительные испытания в натурных условиях промышленных солнечных коллекторов с заводской прозрачной изоляцией (одинарное остекление) и ВСП. КПД солнечного коллектора с В СП превысил КПД солнечного коллектора с одинарным остеклением на 8%.
  2.  Ввиду неопределенности степени вакуума внутри вакуумного зазора при эксплуатации ВСП, предложен способ оценки степени вакуума: помещение в вакуумный зазор цеолита, например, А§А, изменяющего цвет при изменении давления внутри ВСП.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С ОТРАЖАТЕЛЯМИ И ПРОЗРАЧНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ ВАКУУМИРОВАННЫХ СТЕКЛОПАКЕТОВ

Отражатели (концентраторы) применяются в солнечных коллекторах для:

  1.  уменьшения размеров теплового приемника по сравнению с плоским СК;
    1.  повышения температуры теплоносителя за счет концентрированного солнечного излучения по сравнению с плоским СК.

В этой главе будут рассмотрены тепловые характеристики солнечного коллектора с со-образными отражателями, разработанного в ВИЭСХ [34], и его КПД с различными типами остеклений, в т.ч. ВСП.

3.1. Расчет солнечных коллекторов с отражателями

Для стационарного состояния уравнение теплового баланса солнечного коллектора с отражателями производится по уравнению:

опт@ ~ Чпр.из Ятепл.из' (3 • 1)

где Н - плотность суммарной солнечной радиации, Вт/м ; т - коэффициент пропускания прозрачной изоляции; г}опт - оптический коэффициент концентрации системы «концентратор-приемник»;- в - коэффициент улавливания солнечного излучения; цпр.из - плотность теплового потока через прозрачную изоляцию, Вт/м ; цтет.ш - плотность теплового потока через теплоизоляцию, Вт/м .

Расчет характеристик прозрачной изоляции ведется аналогично алгоритму, описанному в разд. 2.1.2, за исключением параметров, обусловленных наличием в конструкции солнечного коллектора отражателей (концентраторов), в т.ч. оптического КПД системы «концентратор-приемник» и геометрического коэффициента концентрации. Методы расчета данных параметров приведены в следующих разделах.

3.1Л. Графоаналитический метод расчета оптического КПД системы «концентратор-приемник»

Эффективность работы солнечной установки, состоящей из приемника и концентратора солнечного излучения, зависит от их оптических свойств, таких как коэффициент отражения концентратора р и коэффициент поглощения приемника апр. Солнечные лучи могут отражаться многократно от поверхности концентратора, прежде чем попасть на приемник, и в то же время распределяться неравномерно на тыльной стороне приемника. Предлагается использовать графоаналитический метод расчета оптического КПД солнечного коллектора с отражателями, фокусирующими солнечное излучение на приемник* [80, 81].

Рассмотрим полутороидальный концентратор (рис. 41), имеющий в разрезе форму со, при этом ветви со могут состоять как из одного радиуса (рис. 42а), так и из двух (рис. 47, 48).

Рис. 41. Полутороидальный концентратор

На рис. 42 изображён ход лучей как непосредственно от Солнца, так и от концентратора к приёмнику, из которого можно выделить три характерных варианта расположения приёмника:

  1.  приёмник расположен таким образом, что его диаметр находится между осями полуокружностей, образующих профиль концентратора (рис. 42а), т.е. диаметр приёмника равен половине диаметра апертуры;
    1.  диаметр приёмника больше половины диаметра апертуры (рис. 426);

' Рассматривается случай нормального падения солнечных лучей на апертуру отражателя (концентратора)

б) в)

Рис. 42. Варианты размеров приемника по отношению к солнечному концентратору и ход лучей (* - расположение приемника на минимуме огибающей кривой)

В первом варианте приёмник полностью облучается отражённым излучением со стороны, обращенной к концентратору, и непосредственно Солнцем - с лицевой стороны. Во втором варианте часть приёмника с тыльной стороны не облучается, а в третьем - часть отражённого лучистого потока не попадает на приёмник. Характерным для всех трёх расположений приёмников является неравномерность освещённости тыльной стороны. Очевидно, что применять приёмник по 3-му варианту нецелесообразно, так как теряется самая продуктивная часть отражённого излучения, т.е. после однократного отражения.

3) диаметр приёмника меньше половины диаметра апертуры (рис. 42в).

Отражённые лучи распределяются по количеству отражений от концентратора на одно-, двух-...и многократно отражённые (рис. 43). Эти зоны
в виде концентрических колец изображены на рис. 436: однократно отражённые лучи располагаются рядом с осью полуокружности, далее следуют двукратные, трёхкратные и т.д.

Г, ( Г„ )

Ъ {г.,-,)

\\\ \ \

л \\

NN

\

\

\

V \ i

\1\

 

О

Рис. 43. Зоны лучей, распределенные

по количеству отражений: а) радиальное сечение, б) вид сверху

Пусть по количеству п отражений концентратор разбит на п зон, в каждой из которых будут находиться лучи с одинаковым количеством отражений от концентратора. Тогда в периферийном кольце будут находиться лучи, которые после «-кратного отражения попадут на тыльную сторону приёмника и доставят туда поток:

Qn=qTt{rl-rl_^p\ (3.2)

2

где q — плотность потока прямой солнечной радиации, Вт/м ; *"п ~ ^ап - радиус большой окружности концентратора (апертуры);

гп_\ — внутренний радиус периферийного кольца и наружный радиус следующего за ним кольца;

рп - коэффициент отражения концентратора в степени п.

Во второй, (п - 1)-ой, от периферии зоне поток будет равен:

и т.д. Тогда для полного потока, попадающего на обе стороны приёмника (т.е. при условии Гпр < г < 11ап и Гпр = г0):

в = V?4-»2 - У + & - г1г + - У2 + - +

+ (л202,04Р°]. (3.4)

где апр — коэффициент поглощения солнечной радиации приёмником; г0 - радиус до оси полуокружности; гпр — радиус приёмника; г р° = г —

у пр пр

слагаемое, учитывающее поток, падающий на лицевую сторону приёмника; <5о ^ 1 коэффициент, учитывающий рассеянную радиацию, падающую на лицевую сторону приёмника.

В варианте 2 расположения приёмника, когда диаметр приёмника больше го, формула (3.4) имеет тот же вид при ограничении гпр<г< Яат гпр > г0.

В варианте 3 расположения приёмника, когда диаметр приёмника меньше 2го, формула (3.4) принимает вид:

е - «„„З^2 - & Ь"+к2-, - )р"4 + к-2 - )р"~г+-+

При выполнении условий: гпр < го, гт<г<Я и гт > г0, т.е. начиная с радиуса гт отражённые лучи не попадают на приёмник; т - количество отражений в кольце (гт+у- гт), не попадающих на тыльную сторону приёмника.

Для солнечного коллектора с линейными со-образными отражателями (рис. 47, 48), аналогично (3.2) и (3.3), потоки периферийной зоны и следующей за ней будут равны:

Qn = 2Ькщкп - гпЛп, (3.5)

£>„.1 = 2ЬкщкпЛ - гп.2п'\ (3.6)

где Ьк — длина концентратора, м; гп — половина ширины линейного со-образного отражателя, м (см. рис. 50). Тогда полный поток, падающий на приемник, составит:

0 = 2а аЬ [(г -г )рп +(г -г -г )р"_2+...+

^ пр1 к1\п п-\1и ^ л — 1 п — 2> ^ п-2 п-Ъ'

+ (г10,+&г„рр°]. (3.7)

В варианте 3 расположения приёмника:

(2 = 2а дЬ[{г -г )рп+(г -г )рп~х+[г -г )рп~2+...+

^ пр1 к ^ п п-\1и 1 п -2' \ п-2 п-Ъ'и

Агт+гг>»)рт+дг»р^ <3-7а)

Оптический КПД Т]0пт системы «концентратор - приёмник» определяется

как

Л опт = я ® л > (3-8)

где Аап — площадь апертуры отражателя.

Если устанавливать приемник ниже плоскости апертуры так, чтобы его края заканчивались на огибающей кривой, образуемой пересечением лучей, особенно на минимуме огибающей кривой (рис. 42а*), уменьшится количество отражений периферийных лучей, и, следовательно, увеличится оптический КПД солнечного коллектора с отражателями.

Пример расчета оптического КПД системы «концентратор-приемник» приведен далее для со-образного концентратора в разд. 3.2.

3.1.2. Метод расчета коэффициента концентрации по балансу лучистых потоков

Геометрический коэффициент концентрации К во многих случаях определяется как отношение эффективной площади апертуры к площади поверхности приемника солнечной энергии [12, 15], т.е.

дэф

к = (3-9)

пр

где площадь проекции незатенённой части отражателя [12].

Реже используется потоковый коэффициент концентрации, который рассчитывается как отношение средней плотности сконцентрированного потока на приемнике к плотности потока солнечной радиации на апертуре концентратора [12]. Обычно поток сконцентрированного солнечного излучения распределен неравномерно по поверхности приемника, поэтому зачастую расчет потокового коэффициента концентрации представляется затруднительным.

Геометрический коэффициент концентрации является довольно условной характеристикой, особенно при незначительных концентрациях, когда размеры приёмника сопоставимы с размерами апертуры, и некоторая часть солнечного излучения падает на приемник в неконцентрированном виде, другая часть - концентрируется, а затем падает на приемник, возможен и смешанный поток. Тем не менее, в литературе геометрический коэффициент концентрации используется для расчётов энергетических параметров, например, оптической эффективности фотоэлектрических систем с асимметричными отражателями [82], при этом геометрический коэффициент концентрации определяется как отношение линейных размеров апертуры и приёмника.

Предлагается рассчитывать коэффициент концентрации по балансу лучистых потоков, приходящих на апертуру концентратора 0,ап и на приемник солнечного излучения Опр[%Ъ, 84].

Рассмотрим, систему «концентратор - приёмник» (рис. 44), которая облучается только прямой солнечной радиацией при следующих условиях: • солнечное излучение в виде параллельного потока лучей 0,ап плотности q

падает нормально к плоскости апертуры концентратора;

  •  часть солнечного излучения ()ф непосредственно поглощается обращенной к потоку, фронтальной, поверхностью приёмника, остальная часть (2тыл концентрируется, а затем поглощается тыльной поверхностью приёмника;
  •  коэффициент отражения идеального концентратора р = 1, коэффициент поглощения приёмника апр = 1, коэффициент теплопроводности материала приёмника Япр оо.

приемник

концентратор

Рис. 44. К выводу формулы коэффициента концентрации солнечной установки

При этих условиях ()ап = Qnp и уравнение баланса лучистых потоков можно записать в виде:

а^бф+бтыл, (ЗЛО)

где

  1.  
  2.  
  3.  

^ап

йф= Я Я^ст ,

АФ

Я К дс1с7п,

б,

д

тыл

 

где Аап> Аф и Атыл - площади апертуры, фронтальной и тыльной сторон приёмника соответственно; К' - коэффициент концентрации потока, приходящего непосредственно от отражательной поверхности на приёмник;


d<To - дифференциал независимой переменной - элементарной площадки оь соответствующих поверхностей.

Принимая q = const, const, получим из (ЗЛО) - (3.13):

Аап = Аф+К'Атш, (3.14)

откуда коэффициент концентрации:

К'= ~ ф. (3.15)

Для сравнения с (3.9) определим эффективную площадь апертуры как

Аэ*=Ааф, (3.16)

тогда коэффициент концентрации по [12, 15] будет:

К = Аа>\ Аф , (3.17)

и, следовательно, отличается от А^'из (3.15) только знаменателем (А„р - площадь приемника, равная Апр = Аф + Атыя).

Уравнение баланса потоков излучения в этом случае выглядит так:

дОЬ = дсИ + к'дсИ, (3.18)

Рассмотрим солнечный коллектор с со-образным отражателем. На верхнюю часть теплового приемника падает неконцентрированное солнечное излучение q\ = q и на нижнюю часть - концентрированное солнечное излучение q2=K'q{рис. 45).

тепловым приемником: к выводу формулы коэффициента концентрации


где й - ширина концентратора, м; с1 - ширина приемника, м. Следовательно, коэффициент концентрации равен:

(3.19)

Подчеркнём, что К' относится только к вкладу потока от концентратора в суммарный поток на приёмнике, как это и следует из уравнения (3.19).

В предельных случаях при ^ -> О, К' —» оо, а при й —» Д К' > 0. Физически это означает, что в первом случае лучи концентрируются в точку, а во втором - концентрация с тыльной стороны отсутствует, а с фронтальной равна единице.

(3.20)

(3.22)

Далее приведен пример расчета коэффициента концентрации для солнечного модуля с параболоцилиндрическим концентратором, приемник которого расположен вдоль оси перпендикулярно апертуре концентратора (рис. 46).

О

Рис. 46. Солнечный модуль с параболоцилиндрическим концентратором и тепловым приемником: к выводу формулы коэффициента концентрации

В этом случае баланс потоков выглядит следующим образом: откуда коэффициент концентрации:

(3.21)

что совпадает с определением по [12, 15]:

О-О О

2с/ 2с! '

В данном варианте при <1 -» О, К оо, а если ¿/ Д то К = 1/2.

3.2. Расчет энергетических характеристик солнечного коллектора с со-образными отражателями

3.2.1. Геометрические параметры со-образиого отражателя

На рис. 47 показан профиль о-образного концентратора [79].

В

Рис. 47. Принцип построения со-образного концентратора

Отражающая поверхность концентратора состоит из двух сопряженных радиусов г и Я, при этом

где /? - угол между плоскостью, в которой расположены центры окружностей радиусами г и Я, и нормалью к плоскости АВ, т. е. плоскости, воспринимающей солнечное излучение. Оптимальный апертурный угол /? = 27,5° [79].

На основе двух ш-образных концентраторов был изготовлен солнечный коллектор с тепловыми приемниками типа «лист-труба», показанный на рис. 48, 49. Как и в обычном солнечном коллекторе, дно и боковые поверхности модуля теплоизолированы. Зазор между плоскостью апертуры АВ, воспринимающей солнечное излучение, и приемником 1заз = 13 мм. Площадь апертуры отражающей поверхности солнечного модуля составляет 1,7 м х 0,6 м = 1,02 м . Приемник солнечного излучения расположен параллельно плоскости, воспринимающей солнечное излучение, его ширина составляет с! = 100 мм.

1

Рис. 48. Солнечный коллектор с ш-образными отражателями: 1 - тепловой приемник, 2 - си-образные отражатели

Рис. 49. Фрагмент солнечного коллектора с со-образными отражателями (без прозрачной изоляции)

3.2.2. Расчёт оптического КПД и коэффициента концентрации теплового модуля с ю-образными отражателями

Рассмотрим расчетный вариант для со-образного концентратора, имеющего следующие размеры: 2гап = 300 мм, 2гпр = 100 мм. Пользуясь графоаналитическим методом, описанным выше, разбиваем луч евосприни мающую поверхность концентратора на несколько зон (см. рис. 43). На рис. 50 показаны радиусы этих зон в со-образном концентраторе при нормальном падении лучей: /*0 = гпр = 50 мм, г\ = 97 мм, г2 — 147 мм, г3 = гп = 150 мм. В зоне шириной (rt - г0) лучи отражаются однократно перед падением на приемник с тыльной стороны, в зоне шириной

(г~2 ~ г\) - двукратно, в зоне шириной (г3 - г2) - трехкратно. Принимая а = 0,9;

= 1,25; р - 0,9, из (3.7) получим поток = 1,41^, а оптический КПД солнечного коллектора с со-образными отражателями составит:

г3п=150 

г2= 147

г, =97

гп.о =50

ШИПИ!

Рис. 50, К расчету оптического КПД со-образного концентратора: оранжевым цветом - прямые солнечные лучи, красным цветом - однократно отраженные лучи,

синим цветом - двукратно отраженные лучи, зеленым цветом трехкратно отраженные лучи (размеры даны в мм)

Геометрический коэффициент концентрации теплового модуля с со-образными отражателями, рассчитанный по формуле (3.9):

АЭФ £).£ о

= — = ~ = 3, Апр Л • I <1

где 0,1 м, £> = 0,3 м (см. рис. 47).

Коэффициент концентрации, рассчитанный по балансу лучистых потоков (3.19), составит:

К 1 = М_1 = 2. * 0,1

3.3. Экспериментальное исследование солнечного коллектора

с (»-образными отражателями и различными типами прозрачной изоляции

Испытания солнечного коллектора с со-образными отражателями проводились в период осеннего равноденствия в 2006 - 2008 гг. (рис. 51).

Рис. 51. Экспериментальные исследования солнечного коллектора с со-образными концентраторами на испытательной площадке ВИЭСХ

Измерения проводились калориметрическим методом, измерялись температура окружающей среды, температура теплоносителя (воды) на входе и на выходе, расход теплоносителя, плотность суммарной солнечной радиации в плоскости солнечного модуля. Первая серия экспериментов проводилась, когда в качестве прозрачной изоляции солнечного коллектора с со-образными отражателями было установлено одинарное остекление. Затем, чтобы сравнить тепловые характеристики модуля с различными типами остекления, было установлено второе стекло с зазором 3 мм. Затем вместо двойного остекления было установлен вакуумированный стеклопакет (СПОВ 1720 мм х 650 мм х 6,5 мм 4-0,15-2,5). Наибольший интерес представлял эксперимент на максимальный нагрев теплоносителя при максимальной радиации и небольшом расходе 3,3 — 3,4 кг/(ч*м ). Изменение значений параметров окружающей среды и солнечного коллектора с со-образными отражателями в течение дня представлено на рис. 52, 53.


  •  температура окружающей среды

-температура воды па выходе га солнечно!« коллектора

  •  солнечная радиация
  •  температура воды па в\оде солнечного коллектора
  •  расход генлоноете ш
  •  мгновенный К1Щ

 

|=с

С

о

о В О

ЬЙ!

н па

и н

В! о

ч о

30

X о <33 О,

=1 «

и Э

ез

О,

^ 3

20

ев О, О С

£

о

х

Ц

о

и

-Ьг

-е=

-А-

10

-е—-о

 

0

11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14 30 15:00 15:30 16:00

Время суток

Рис. 52. Зависимость характеристик солнечного коллектора с со-образными отражателями и двойным остеклением от времени суток

 

  •  гемперагура окружающем среды
  •  темпера!}рл воды на выходе ит солнечного коллектора -сотпечная радиация
  •  пгчперапра вода на вчоде солнечной) ко ыекюрл
  •  расчод 1 еп.10 носителя
  •  мпювениый КПД

О о о о—е—е—е—е—о

Т 1 1 Г

и, ¡4

с?

С «

У

3 о О

я о

ь

ю

8

I

о ее О.

о *

я

Й се (X о; сс

т и г с; о

и

ее

О. &

ее О.

и

Ё £

 

11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14.00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30

Время суток

Рис. 53. Зависимость характеристик солнечного коллектора с со-образными отражателями и ВСП от времени суток


Из графиков видно, что при одинаковых расходах теплоносителя (воды) максимальная температура, полученная в солнечном коллекторе с со-образными отражателями и двойным остеклением составляет 82°С, а с ВСП - 94°С.

По формулам (2.44) и (2.45) были рассчитаны производительность и КПД солнечного коллектора с со-образными отражателями и различными типами прозрачной изоляции: одним стеклом, двойным остеклением с воздушным зазором 3 мм. Результаты испытаний и расчетов представлены в табл. 14. КПД солнечного коллектора с со-образными отражателями составляет 40,1 %, что выше на 10,8 %, чем КПД солнечного коллектора с со-образными отражателями и одинарным остеклением.

Таблица 14

Параметры окружающей среды и солнечного коллектора с со-образными отражателями и различными типами остекления при максимальном нагреве

теплоносителя (воды)

Тип остекления

t °с

я,

Вт/м2

НприхJ

Вт-ч/м2

teXf

°С

¡вЫХ>

°с

tebix tgx,

°с

G, кг/ч-м2

Q, Вт-ч/м2

Одно стекло

20,5

715

732,7

22

78

56

3,3

214,4

29,3

Двойное остекление, зазор 3 мм

17

722

739,9

19

82

63

3,4

248,5

33,6

ВСП

17

720

737,9

19

94

74

3,4

295,8

40,1

Обозначения в таблице: toc - температура окружающей среды, H — солнечная радиация; Нприх - количество солнечной радиации за час; tex - температура теплоносителя (воды) на входе СК, teblx  температура теплоносителя на выходе из СК; G - расход теплоносителя, О - тепловая энергия, полученная в коллекторе за 1 час; // - КПД.

3.4. Определение эксергии солнечного коллектора с со-образными отражателями

Эксергия - это свойство термодинамической системы или потока энергии, определяемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обратимом их взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия [85].

Эксергия характеризует энергию любого вида не только по ее количеству, но и дает возможность количественно оценить ее качественную сторону.

Эксергия определяет превратимость, пригодность энергии для технического использования в любых заданных условиях.

В приемниках солнечного излучения осуществляется передача эксергии солнечной радиации теплоносителю, но для анализа эффективности этого процесса достаточно знать эксергию не излучающего тела (Солнца), а эксергию солнечной радиации ерад, достигающей поверхности солнечного коллектора.

Шаргут и Петела [86] предложили определять плотность потоков эксергии солнечной радиации еизл по формуле:

 

= ФеЧ

гол'

'113Л

(3.23)

 

где

Гт

0

Т

т

с у

фе=Ёщл_

Чизл

(3.24)

4-

3 г„

 

есть отношение плотностей потоков эксергии е^л и энергии ^„^ солнечной радиации, достигающей поверхности приемника, Дж; Т0 - абсолютная температура окружающей среды, К; Тсол - абсолютная эффективная температура поверхности фотосферы Солнца, К. Согласно [85] при Г0 = 300 К (4 = 0,933.

Пе

Эксергетическая эффективность г}е плоских и концентрирующих солнечных коллекторов определяется как отношение эксергии е, полученной теплоносителем от солнечного излучения, к эксергии солнечного излучения [87]:

(3.25)

'изл

где эксергия теплоносителя е определяется для стационарных условии как:

 

Т -Т

(3.26)

е ~ Чпол

где Тср средняя температура теплоносителя, метод определения которой не является однозначным [87]. Ее можно определить как среднелогарифмическую температуру:

± ср 1 ОС

т,

ср

т.

т,

вых вх

ср

(3.27)

 

или как среднеарифметическую температуру:

 

Тер ~ 2 (Тех Твых ) •

Эксергетическая эффективность, рассчитанная за 5 часов работы солнечного коллектора с со-образными отражателями и двойным остеклением, составила 3,74 %, а с прозрачной изоляцией из ВСП 5,55 %.

Выводы к главе 3.

  1.  Разработан графоаналитический метод расчета оптического КПД солнечного коллектора с отражателем. Оптический КПД солнечного коллектора с со-образными отражателями, рассчитанный по данному методу, составил 0,66.
  2.  Предложен метод расчета коэффициента концентрации по балансу лучистых потоков. Коэффициент концентрации солнечного коллектора с со-образными отражателями составил 2.

(3.28)

  1.  Исследован солнечный коллектор с со-образными отражателями с различными типами прозрачной изоляции: одинарным остеклением, двойным остеклением с зазором 3 мм, вакуумированным стеклопакетом. Максимальная температура теплоносителя (воды) была получена в солнечном коллекторе с прозрачной изоляцией из вакуумированных стеклопакетов при расходе 3,4 кг/ч и составила 94°С.

ГЛАВА 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С ВАКУУМИРОВАННЫМИ СТЕКЛОПАКЕТАМИ

4.1. Перспективные области применения солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами

Наряду с использованием вакуумированных стеклопакетов в качестве оконных ограждений, в плоских солнечных коллекторах и солнечных коллекторах с отражателями, их целесообразно применять в солнечных установках в качестве теплоизоляции приемника, а также для солнечных фасадов в энергоэффективных домах и для прозрачного ограждения теплиц.

4.1.1. Солнечная установка с отражателем и приемником с вакуумированной изоляцией

С целью повышения коэффициента концентрации и апертурного угла был разработан солнечный концентратор, представленный на рис. 54.

Р = 2(Р + г)

Рис. 54. Солнечная установка с концентратором: 1 - отражатель,

2 - приемник, 3 - профиль радиуса Я, 4 - профиль радиуса г, 5 - ось симметрии, 6 - просветляющее покрытие, 7 — прозрачная вакуумированная изоляция, 8 - защитное стекло (ВСП)

Солнечная установка с концентратором содержит тороидальный зеркальный кольцеобразный отражатель 1 и цилиндрический приемник 2. Профиль отражателя выполнен из двух сопряженных разновеликих четвертей
окружностей
3 и 4 радиусов Я и г (Я > г > 0). Радиус цилиндрического приемника 2 равен радиусу г меньшей окружности, а его высота к = Я — г. Ось симметрии 5 приемника совпадает с осью симметрии концентратора. Основания приемника 00\ и 0203 перпендикулярны оси симметрии концентратора; верхнее основание приемника располагается в плоскости апертуры концентратора.

Приемник излучения 2 имеет просветляющее покрытие 6 на нижнем основании и боковой цилиндрической поверхности, и помещен в прозрачный теплоизолированный корпус 7. Диаметр О тороидального отражателя 1 £> = 2(г + К), а его высота Н= Я.

Геометрический коэффициент солнечной установки с концентратором

равен:

 

Аи

(4.1)

К =

Аосн + ¿бок

 

где Ак площадь концентратора, Ак = %(Я + г) ; 80СН — площадь основания

боковая площадь цилиндрического приемника,

(Я Л2 —+ 1

приемника, 80СН = кг ; Абок Абок-^Н = 2кг(Я — г); т.е.

(4.2)

у г )

Зависимость коэффициента концентрации К от .—

к—7я~

Зависимость коэффициента концентрации К от геометрических параметров концентратора представлена в табл. 15.

Таблица 15

К г

1

2

4

5

6

7

8

9

10

К

4

3

3,57

4

4,45

4,92

5,04

5,88

6,58


При — = 5 геометрический коэффициент концентрации К = 4, г = 0,1 м, г

Я = 0,5 м, к = 0,4 м, Н = 0,5 м. Согласно расчетам равновесная температура приемника при геометрической концентрации 4 составляет 200°С.

Данная конструкция солнечной установки с концентратором и тепловым приемником запатентована [90].

Цилиндрический приемник солнечного излучения можно изготавливать в виде «термоса», используя цилиндрический прозрачный корпус из двух слоев стекла, между которыми — вакуум. В этом случае, в отличие от плоских вакуумированных стеклопакетов, цилиндрический вакуумированный корпус будет выполняться без фиксаторов. Для защиты от внешних неблагоприятных воздействий, а также для уменьшения теплопотерь в окружающую среду концентратор покрыт вакуумированным стеклопакетом. Пример исполнения солнечной установки с тепловым приемником в виде «термоса» представлен на рис. 55.

1 5

Рис. 55. Солнечная установка: 1 - цилиндрический тепловой приемник с вакуумированной прозрачной теплоизоляцией,

2 — отражатель, 3 - вход теплоносителя, 4 — выход теплоносителя, 5 - защитная прозрачная изоляция (ВСП)

4.1.2. Солнечные фасады с вакуумированными стеклопакетами

Обычно для теплоизоляции стен в энергоэффективных домах применяют поликарбонат капиллярной или ячеистой структуры (рис. 23, 24) [41, 43, 91], а также встраивают в конструкцию стены солнечные воздушные коллекторы (рис. 9, 10) [24, 26]. Недостатками данных конструкций являются большая толщина и низкий коэффициент пропускания в случае применения совместно поликарбоната и листов стекла (не более 0,6).

Предлагается в качестве теплоизоляции стен использовать вакуумированные стеклопакеты с селективным покрытием (рис. 56 а, б), сопротивление теплопередаче которых составляет 0,77 м2-К/Вт при степени вакуума 10" мм рт. ст. и наличии селективного покрытия с излучательной способностью 0,1, а коэффициент пропускания - около 0,8. В результате использования ВСП снизятся тепловые потери здания и затраты на отопление помещений.

7 7

а) б)

Рис. 56. Конструкции солнечных фасадов: 1 - стена здания, 2 - абсорбер с селективным покрытием, 3 - вакуумированный стеклопакет, 4 - фиксатор, 5 - вакуумный зазор, 6 - селективное покрытие, 7 - штора на роликах или жалюзи, 8 - воздушный зазор,

9 - вентилятор

Солнечный фасад работает следующим образом. Солнечное излучение приходит на абсорбер (поглощающую поверхность) и нагревает стену. Потери тепла за счет излучения в окружающую среду снижаются благодаря нанесению на поглощающую поверхность селективного покрытия с поглощательной способностью а — 0,95 и излучательной способностью е= 0,1, а также за счет вакуумированного стеклопакета. В вакуумном зазоре конвекция и теплопроводность разреженного газа незначительны, а теплопотери за счет излучения снижаются за счет нанесения на внутреннюю поверхность стекла селективного покрытия с коэффициентом излучения s = 0,1. Теплосъем осуществляется за счет циркуляции воздуха в случае активного варианта отопления (рис. 56а). В случае пассивного варианта отопления тепло в помещение поступает за счет теплопроводности стены, конвекции и теплового излучения (рис. 566).

В конструкции солнечного фасада предусмотрена штора на роликах или жалюзи, предотвращающая перегрев стены и помещения в летний период и способствующая сохранению тепла в ночное время.

4.1.3. Теплицы с прозрачным ограждением из вакуумированных стеклопакетов

Согласно СНиП 2.10.04-85 [92] светопрозрачные ограждения теплиц могут выполняться из стекла или пленки, как правило, двухслойными или однослойными с дополнительной трансформирующейся шторой или теплозащитным экраном, а весенних теплиц — из пленки, снимаемой на зимний период. Суммарная площадь светонепроницаемых конструкций теплиц должна составлять не более 15% общей площади при светопрозрачном ограждении из стекла и 10% — при ограждении из пленки.

Стекло имеет более высокое сопротивление теплопередаче по сравнению с полимерными пленками, что актуально для остекления особенно зимних теплиц. Коэффициенты теплопередачи через различные ограждения теплиц представлены в табл. 16 [93].

В [94] были рассчитаны коэффициенты теплопередачи для одинарного остекления, двойного остекления и для поликарбонатных плит толщиной 8 мм, принимая коэффициенты теплоотдачи теплицы наружному воздуху hK0°cm = 25 Вт/(м2-К) и внутреннему h™m = 12 Вт/(м2-К) [95], температуру в теплице te = 20°С, температуру окружающей среды в январе toc = -11°С:

"2, "2, 2 кс = 8 Вт/(м -К), кдвст = 2,4 Вт/(м -К) и кПК = 2,6 Вт/(м -К) соответственно. Тогда

сопротивление теплопередаче одинарного остекления будет равно

Яс = 0,125 м2-К/Вт, двойного остекления Ядв.ст = 0,42 м2-К/Вт, поликарбонатной

Коэффициенты теплопередачи к через различные ограждающие конструкции

теплиц

плиты толщиной 8 мм Япк= 0,38 м -К/Вт.

Таблица 16

Характеристика ограждения

Коэффициент теплопередачи к, Вт/(м2-К)

Ограждение из двух слоев силикатного стекла, разделенных воздушным промежутком, с металлическими шпросами

2,8

Ограждение из силикатного стекла с металлическими шпросами

5,5

Ограждение из ПЭ пленки

9

Согласно расчету (по алгоритму, описанному в разд. 2.1), сопротивление теплопередаче ВСП с вакуумом 10° мм рт. ст. и с одним селективным покрытием при вышеназванных условиях составит Явсп = 0,84 м -К/Вт, что в 6,7 раз превышает сопротивление теплопередаче одинарного остекления, в 2 раза - сопротивление теплопередаче двойного остекления и 2,2 раза - сопротивление теплопередаче поликарбонатной плиты.

Была разработана конструкция гелиотеплицы с сезонным грунтовым аккумулятором тепла, являющаяся, по сути, солнечным коллектором, т.к. элементы ее конструкции играют роль абсорберов солнечного излучения. Данная конструкция защищена патентом [96].

Конструкция гелиотеплицы с сезонным аккумулятором представлена на рис. 57. Гелиотеплица 1 выполнена в виде цилиндрической конструкции с куполообразной крышей. Несущими конструкциями являются трубы- теплообменники 2 диаметром 100 мм. Прозрачные ограждения 3 теплицы могут выполняться из вакуумированных стеклопакетов.

Под гелиотеплицей расположен грунтовый водоносный аккумулятор, содержащий грунтовый слой 4, в том числе корнеобитаемый слой 5. В центре гелиотеплицы обустроена выкачивающая грунтовые воды скважина 6 с забоем

25 - 30 м. На дне скважины расположен глубинный насос 7. Радиус основания шатра гелиотеплицы (Яосн = 100 м) равен радиусу основания зоны действия 8 центральной выкачивающей скважины. С внешней стороны гелиотеплицы расположены радиационные укрытия 9 с радиусом основания 5 м, содержащие закачивающие скважины 10 и насосы 11. Забой закачивающих скважин составляет 3 — 4 м и совпадает с крайними точками зоны действия центральной скважины, образуя форму грунтового водоносного аккумулятора в виде, близком к перевернутому конусу, т.к. нагретая вода, как более легкая, остается выше более холодной и стекает в радиальном (горизонтальном) направлении к выкачивающей скважине.

Рис. 57. Конструкция гелиотеплицы с сезонным аккумулятором тепла: 1 - гелиотеплица, 2 - несущие конструкции-теплообменники, 3 - прозрачная изоляция из вакуумированных стеклолакетов, 4 - 1рунтовый слой, 5 - корнеобитаемый слой грунта, 6 - выкачивающая грунтовые воды скважина, 7 - глубинный насос, 8 - зона действия скважины, 9 - радиационные укрытия, 10 - закачивающие скважины, 11 - насосы

Несущие конструкции гелиотеплицы соединены в единый или секционный гидравлический контур, в котором циркулирует вода, полученная из выкачивающей центральной скважины.

Солнечное излучение, проникающее в теплицу через прозрачное ограждение, расходуется на фотосинтез в растениях (фотосинтетически активная часть радиации — ФАР), на нагрев внутреннего воздуха и несущих конструкций, которые окрашены черным цветом и играют роль абсорберов солнечного излучения, и на нагрев поверхностного слоя почвы.

В период зарядки грунтового аккумулятора грунтовую воду выкачивают и нагревают за счет солнечного излучения в гелиотеплице до температуры 45 - 50°С, попутно исключая перегрев воздуха внутри теплицы, затем закачивают нагретую воду в грунт через периферийные скважины. К концу зарядки аккумулятора, т.е. в сентябре-октябре, в зависимости от климатических условий местности, температура аккумулированной воды и грунта достигает 35 - 40°С, а регулирование температур воздуха в гелиотеплице и корнеобитаемого слоя в пределах 12 - 28°С2 осуществляется циркуляционным контуром «выкачивающая скважина - теплообменники, включающие несущие конструкции — закачивающие скважины - грунтовый водоносный аккумулятор

  •  выкачивающая скважина».

Для процессов, протекающих в растениях, их роста и развития наибольшее значение имеет оптическое излучение в области от 0,33 до 1,2 мкм - так называемая физиологическая радиация (ФР). В пределах ФР выделяют область ФАР — фотосинтетически активной радиации — от 0,38 до 0,71 мкм. Под действием ФАР происходит фотосинтез. Пропускательная способность стекла в области ФАР составляет 0,83 - 0,85 [97]. Пропускательная способность вакуумированных стеклопакетов толщиной 6,5 мм в области ФАР

  •  около 0,80 (экспериментально измеренная величина), следовательно, применение ВСП уменьшит доступ ФАР в теплицу только на 3 - 5 %.

4.2. Экономическая эффективность применения солнечных

коллекторов с вакуумированными стеклопакетами для горячего водоснабжения сельскохозяйственного объекта

Экономическая эффективность новой тепловой энергетической установки является определяющим фактором при выборе варианта ее технического выполнения. Для выбора варианта, дающего наилучший результат, необходимо установить критерий, обобщающий все свойства объектов. Таким критерием является технико-экономический эффект, отражающий в стоимостном выражении полезность разрабатываемого проекта. Как правило, при технико- экономическом обосновании проводят оценку эффективности предлагаемых решений в целом для предприятия или отрасли. При этом используются общие критерии оценки, отражающие влияние таких решений на общие экономические показатели. Однако в некоторых случаях такие критерии не в полной мере отражают реальный эффект от внедрения предлагаемого решения. В связи с этим, целесообразно определять критерий оценки экономической эффективности для каждого случая в отдельности [98, 99].

В нашем случае эффект от внедрения солнечных коллекторов будет заключаться в частичном замещении традиционного топлива для горячего

водоснабжения. Поэтому перед определением экономического эффекта,

)

необходимо рассчитать площадь солнечных коллекторов для замещения определенной доли традиционных источников энергии. Далее необходимо определить затраты традиционных источников энергии на горячее водоснабжение и определить экономическую эффективность использования солнечных коллекторов вместо традиционных источников энергии. Так как теплопотери солнечного коллектора с обычным остеклением выше, чем теплопотери солнечного коллектора с ВСП, то производительность последнего будет больше. Экономический эффект от применения СК с ВСП поэтому также будет больше, чем от СК с обычным остеклением (необходимо, однако, учесть, что стоимость ВСК с ВСП выше, чем ВСК с обычным остеклением).

Стоимость тепловой энергии, вырабатываемой солнечной установкой, в настоящее время выше, чем получаемой за счет некоторых традиционных

106

топлив. Однако, при решении вопроса об экономической целесообразности и эффективности использования солнечных установок, необходимо учитывать рост цен на традиционное топливо и тот факт, что для солнечных установок затраты на топливо равны нулю.

Был рассчитан экономический эффект от применения солнечных коллекторов для получения горячей воды вместо дублирующих источников, таких как газ, дизельное топливо и электрическая энергия.

Для оценки экономического эффекта от использования солнечных коллекторов с ВСП были рассчитаны 2 варианта гелиоустановок для горячего водоснабжения сельского объекта:

  1.  гелиоустановка, в которой солнечный коллектор имеет традиционное одинарное остекление с селективным покрытием;
    1.  гелиоустановка, в которой солнечный коллектор имеет прозрачную изоляцию из вакуумированного стеклопакета с селективным покрытием.

Расчеты эффективности проводились для жилого сельского дома, в котором проживает семья из четырех человек, для условий Краснодарского края и Московской области. В расчетах были приняты следующие условия:

  •  гелиоустановка имеет 2 контура; теплопередача тепловой энергии от теплоносителя контура солнечного коллектора водопроводной воде происходит в теплообменнике «вода-вода»; в контуре солнечного коллектора имеется циркуляционный насос;
  •  система горячего водоснабжения имеет, помимо гелиоустановки, дублирующий источник энергии, который обеспечивает нагрузку в периоды нехватки или отсутствия солнечного излучения и в период, когда солнечная установка не эксплуатируется.

4.2.1. Расчет нагрузки горячего водоснабжения для личного

подсобного хозяйства и тепловой энергии, получаемой за счет солнечных коллекторов

Годовое потребление горячей воды семьи из четырех человек, имеющей ЛПХ

Рассчитаем потребление горячей воды для семьи из четырех человек, имеющей личное подсобное хозяйство (ЛПХ). Нормы потребления тепловой энергии на горячее водоснабжение для ЛПХ даны в [100]. Примем, что ЛПХ включает 1 корову, 2 свиньи, 3 овцы, 10 кур, 2 теплицы. Годовое потребление горячей воды для семьи из четырех человек, имеющей ЛПХ, представлено в табл. 17.

Таблица 17

Потребитель тепловой энергии

Количество

Потребление тепловой энергии на 1 голову, кВт-ч/год

Суммарное потребление тепловой энергии, кВт-ч/год

Семья из 3 - 6 человек

1

3000

3000

Корова

1

160

160

Свинья

2

130

260

Овца

3

15

45

Куры

10

16

160

Теплица площадью 20 кв. м

2

600

1200

Итого:

4825

Таким образом, годовое потребление тепловой энергии для семьи из четырех человек, содержащей ЛПХ, составит Qгв ~ 4825 кВт-ч/год.

Рассчитаем, какая площадь солнечных коллекторов АСк потребуется, чтобы обеспечить 50 % этой энергии [101] (т.е. коэффициент замещения /= 0,5).

Коэффициент замещения/рассчитывается по формуле:

г ЯсК ' ^С.К

/= п , (4.3)

^¿гв

где дек ~ производительность солнечного коллектора, кВт-ч/м ; отсюда

А:к = ^Г- . (4.3а)

Игв

Согласно рекомендациям [102] в Краснодарском крае эксплуатация СК целесообразна с апреля по октябрь включительно. В Московской области эксплуатация СК с водой в качестве теплоносителя возможна в период с апреля по сентябрь, когда нет заморозков и достаточное количество инсоляции.

Суммарная месячная солнечная радиация в Краснодарском крае (широта г. Сочи) и Московской области, Нмес, кВт-ч/м2

Данные по суммарной месячной солнечной радиации на наклонную поверхность в Краснодарском крае (г. Сочи) и Московской области представлены в табл. 18 [102, 103].

Таблица 18

Месяц

Дкео К

Зт2

Краснодарский край (г. Сочи, 43°6'), р = 30°

Московская область (55°7'), /9=40°

Апрель

125,0

127,6

Май

163,0

' 166,3

Июнь

184,9

163,0

Июль

198,1

167,7

Август

197,0

154,0

Сентябрь

161,6

104,6

Октябрь

141,7

Солнечная установка не эксплуатируется

Тепловая энергия, полученная в солнечном коллекторе, рассчитывается по уравнению Хоттеля-Уиллера-Блисса [12]:

Оск = АскРя[Н{тапр)-и^пр -¿ос)], (4.4)

где — коэффициент отвода тепла из солнечного коллектора, представляет отношение фактической полезной энергии СК к полезной энергии, когда температура всей поглощающей пластины равна температуре жидкости на входе; полный коэффициент теплопотерь СК, Вт/(м -К).

Сравним производительности двух солнечных коллекторов, конструкции которых отличаются только типом прозрачной изоляции: СК с одинарным остеклением с селективным покрытием и СК с прозрачной изоляцией из ВСП (вакуум 10" мм рт. ст. и одно селективное покрытие с излучательной способностью 0,1). Сопротивления теплопередаче данных типов прозрачных
изоляций составляют соответственно = 0,24 (м
2-К)/Вт и = 0,77 (м2-К)/Вт (табл. 10).

Тепловые потери СК складываются из потерь через прозрачную изоляцию О пр. из и через тепловую изоляцию 0.теш.из\ плотности этих потоков рассчитываются соответственно по формулам (2.4) и (2.26):

Т -Т

пр х ОС

Чпр.ш ~ ^ ' /

Т -Т

а — тепл.из 1 ос

Чтепл.ю—ос п

тепл.из-ос

Сумма тепловых потерь дпотери и производительность СК дек с различными типами прозрачной изоляции для Краснодарского края, кВт-ч/м2

Суммы тепловых потерь СК с различными типами прозрачных остеклений и производительности СК с 1 м представлены в табл. 19 для условий г. Сочи и в табл. 20 для условий Московской области. Коэффициенты пропускания стекол принимались равными: для одинарного остекления с селективным покрытием толщиной 4 мм тс = 0,85; для ВСП с селективным покрытием толщиной 6,5 мм тВСп = 0,80; коэффициент поглощения приемника СИ апр = 0,95; = 0,9.

Таблица 19

Месяц

СК с одинарным остеклением

СКсВСП 0?=0,1, р = 103 мм рт. ст.)

Япотери

Чек

Я потери

Чек

Апрель

51,9

40,6

20,9

63,0

Май

48,8

63,5

19,4

86,3

Июнь

43,1

84,2

17,1

102,7

Июль

41,3

95,1

16,4

112,0

Август

41,0

94,6

16,3

111,4

Сентябрь

43; 1

68,1

17,1

87,6

Октябрь

49,2

54,5

19,5

74,7

Итого:

500,6

631,6


Таблица 20

Месяц

СК с одинарным остеклением, £"=0,1

СКсВСП (£■= 0,1, /7 = 10"3 мм рт. ст.)

<7 потери

Чек

Цпотери

Чек

Апрель

52,31

35,5

20,77

61,9

Май

53,44

61,1