Солнечный коллектор - Solar thermal collector

Система водяного отопления развернута на плоской крыше. Видно, что трубы, отводящие тепло, встроены в абсорбер, плоскую пластину, выкрашенную в черный цвет. В этом примере тепло хранится в резервуаре над панелями.

А солнечный коллектор собирает тепло от поглощения солнечного света . Термин «солнечный коллектор» обычно относится к устройству для солнечного нагрева горячей воды , но может относиться к большим энергогенерирующих установок , таких как солнечные параболических желобов и солнечных башен или не являющихся воды нагревательных приборов , таких как нагреватели воздуха солнечных .

Солнечные тепловые коллекторы либо неконцентрирующие, либо концентрирующие. В неконцентрирующих коллекторах площадь апертуры (т. Е. Зона, которая принимает солнечное излучение ) примерно такая же, как и площадь поглотителя (т. Е. Площадь, поглощающая излучение). Типичным примером такой системы является металлическая пластина, окрашенная в темный цвет для максимального поглощения солнечного света. Затем энергия собирается путем охлаждения пластины рабочей жидкостью , часто водой или гликолем, которая течет по трубам, прикрепленным к пластине.

Коллекторы-концентраторы имеют отверстие гораздо большее, чем площадь поглотителя. Отверстие обычно имеет форму зеркала , которое фокусируется на поглотителе, которым в большинстве случаев являются трубы, по которым проходит рабочая жидкость. Из-за движения солнца в течение дня концентрирующим коллекторам часто требуется какая-либо система слежения за солнцем, и по этой причине их иногда называют «активными» коллекторами.

Неконцентрирующие коллекторы обычно используются в жилых, промышленных и коммерческих зданиях для обогрева помещений , в то время как концентрирующие коллекторы на концентрированных солнечных электростанциях вырабатывают электричество за счет нагрева теплоносителя для привода турбины, соединенной с электрическим генератором .

Солнечные коллекторы для нагрева воды

Плоские солнечные коллекторы и солнечные коллекторы с вакуумными трубками в основном используются для сбора тепла для отопления помещений, горячего водоснабжения или охлаждения с помощью абсорбционного чиллера . В отличие от солнечных панелей для горячей воды, они используют циркулирующую жидкость для отвода тепла в отдельный резервуар. Первый солнечный тепловой коллектор, разработанный для крыш зданий, был запатентован Уильямом Х. Геттлем и назван « Солнечный коллектор тепла и радиатор для крыш зданий ».

Вакуумные плоские солнечные коллекторы являются более поздней инновацией и могут использоваться для солнечного тепла для промышленного охлаждения (SHIC) и солнечного кондиционирования воздуха (SAC), где требуется температура выше 100 ° C (212 ° F). Эти неконцентрирующие коллекторы собирают как рассеянный, так и прямой свет и могут использовать пар вместо воды в качестве жидкости.

Коллекторы плоские

Два плоских солнечных коллектора рядом

Плоские коллекторы - самая распространенная солнечная тепловая технология в Европе . Они состоят из (1) кожуха, содержащего (2) темную пластину абсорбера с проходами для циркуляции жидкости, и (3) прозрачную крышку, позволяющую передавать солнечную энергию в кожух. Боковые стороны и задняя часть корпуса обычно изолированы, чтобы уменьшить потери тепла в окружающую среду. Жидкий теплоноситель циркулирует через проходы для жидкости абсорбера для отвода тепла от солнечного коллектора. Циркуляционная жидкость в тропическом и субтропическом климате обычно представляет собой воду. В климатических условиях, где вероятно замерзание, вместо воды или в смеси с водой можно использовать жидкий теплоноситель, подобный раствору автомобильного антифриза . Если используется жидкий теплоноситель, обычно используется теплообменник для передачи тепла от жидкости солнечного коллектора в резервуар для хранения горячей воды. Наиболее распространенная конструкция поглотителя состоит из медных трубок, соединенных с металлическим листом с высокой проводимостью (медь или алюминий). На обращенную к солнцу сторону абсорбирующего узла нанесено темное покрытие для увеличения поглощения солнечной энергии. Распространенным абсорбирующим покрытием является черная эмалевая краска.

В конструкциях солнечных коллекторов с более высокими характеристиками прозрачная крышка представляет собой закаленное натриево-известковое стекло с пониженным содержанием оксида железа, как и в фотоэлектрических солнечных панелях . Стекло также может иметь точечный рисунок и одно или два антибликовых покрытия для дальнейшего повышения прозрачности . Покрытие поглотителя обычно представляет собой селективное покрытие, где селективность означает наличие особого оптического свойства, объединяющего высокое поглощение в видимой части электромагнитного спектра с низким коэффициентом излучения в инфракрасном . Это создает избирательную поверхность , которая снижает излучение энергии черного тела из поглотителя и улучшает характеристики. Трубопровод может быть приварен к листу абсорбера с помощью лазера или ультразвука, чтобы уменьшить повреждение селективного покрытия, которое обычно наносится перед соединением с большими рулонами в процессе прокатки рулона .

Абсорбер PIPING конфигурации включают в себя:

  • арфа : традиционная конструкция с нижним стояком и верхним коллекторным патрубком, используется в термосифонных и насосных системах низкого давления ;
  • змеевик : одна непрерывная S-образная труба, которая максимизирует температуру, но не общую выработку энергии в системах с переменным расходом, используется в компактных солнечных системах для горячего водоснабжения (без функции обогрева помещений);
  • затопленный: состоит из двух листов металла, отформованных для создания широкой зоны циркуляции, улучшающей теплопередачу ;
  • пограничный слой : состоит из нескольких слоев прозрачных и непрозрачных листов, которые обеспечивают поглощение в пограничном слое. Поскольку энергия поглощается в пограничном слое, преобразование тепла может быть более эффективным, чем для коллекторов, где поглощенное тепло проходит через материал, прежде чем накапливаться в циркулирующей жидкости.

Плоский пластинчатый коллектор, использующий сотовую структуру для уменьшения потерь тепла также и со стороны стекла, также стал доступным на рынке. Срок службы большинства плоских коллекторов составляет более 25 лет.

Вакуумные трубчатые коллекторы

Вакуумный трубчатый коллектор
Вакуумная трубка прямого потока
Вакуумная трубка с тепловой трубкой
Множество вакуумных трубчатых коллекторов на крыше

Вакуумные трубчатые коллекторы - самая распространенная солнечная тепловая технология в Китае и в мире. В них используется стеклянная трубка, которая окружает абсорбер высоким вакуумом и эффективно противостоит атмосферному давлению . Вакуум, окружающий абсорбер, значительно снижает потери тепла конвекцией и теплопроводностью , тем самым достигая большей эффективности преобразования энергии . Поглотитель может быть металлическим, как в случае плоских пластинчатых коллекторов, или представлять собой вторую концентрическую стеклянную трубку («Sydney Tube»). Жидкий теплоноситель может входить и выходить из каждой трубки или контактировать с тепловой трубкой, проходящей внутри трубки. В последнем случае тепловые трубы передают тепло жидкости в теплообменнике, называемом «коллектор», расположенном поперек трубок. Коллектор обернут изоляцией ( стекловолокно ) и покрыт защитным металлическим или пластиковым корпусом, который также используется для крепления к опорам.

Стеклометаллические вакуумные трубки изготавливаются с плоскими или изогнутыми металлическими абсорбирующими листами, такими же, как и у плоских пластин. Эти листы соединяются с трубами или тепловыми трубками, образуя «ребра», и помещаются внутрь единой трубки из боросиликатного стекла . На внутреннюю и внешнюю поверхности таких трубок может быть нанесено антибликовое покрытие для улучшения прозрачности. Как селективное, так и антибликовое покрытие (внутренняя поверхность трубки) не разрушаются, пока не пропадет вакуум. Однако требуется герметичное стекло-металлическое уплотнение с одной или обеих сторон каждой откачиваемой трубки. Это уплотнение переключается между температурой окружающей среды и температуры жидкости каждый день работы коллектора и может со временем привести к сбоям.

Вакуумные трубки из стекла и стекла состоят из двух трубок из боросиликатного стекла, соединенных вместе на одном или обоих концах (аналогично вакуумной бутылке или колбе Дьюара). Ребро абсорбера находится внутри внутренней трубы при атмосферном давлении. Стеклянные трубки имеют очень надежное уплотнение, но два слоя стекла уменьшают количество солнечного света, попадающего на поглотитель. Селективное покрытие может быть нанесено на внутреннюю боросиликатную трубку (сторона высокого вакуума), чтобы избежать этого, но в этом случае тепло должно проходить через плохо проводящее стекло толщиной внутренней трубки. Кроме того, влага может попасть в неавакуумированную область внутри внутренней трубы и вызвать коррозию поглотителя, в частности, если он изготовлен из разнородных материалов ( гальваническая коррозия ).

Барий флэш - геттерный насос обычно испаряется внутри высокого вакуумного зазора между трубками , чтобы сохранить внутреннее стабильное давление во время.

Высокие температуры, которые могут возникать внутри откачанных труб, могут потребовать специальной конструкции для предотвращения перегрева . Некоторые вакуумные трубчатые коллекторы работают как тепловой односторонний клапан благодаря своим тепловым трубкам. Это дает им максимальную рабочую температуру, которая действует как функция безопасности. Коллекторы с вакуумированными трубками также могут быть снабжены отражателями с низкой концентрацией в задней части трубок, реализующих коллектор CPC.

Сравнение плоских пластинчатых и вакуумных трубчатых коллекторов

Между сторонниками этих двух технологий существует давний спор. Отчасти это может быть связано со структурой вакуумированных трубчатых коллекторов, которые имеют непостоянную площадь поглощения. Массив вакуумированных трубчатых коллекторов на крыше имеет пространство между отдельными трубками и вакуумный зазор между каждой трубой и ее поглотителем внутри, покрывая лишь часть монтажной площади на крыше. Если вакуумированные трубы сравниваются с плоскими коллекторами на основе занимаемой площади крыши (общая площадь), можно прийти к другому выводу, чем при сравнении площадей поглотителя или отверстий. В недавней редакции стандарта ISO 9806 говорится, что эффективность солнечных тепловых коллекторов следует измерять в терминах общей площади, и при прямом сравнении это может отдавать предпочтение плоским пластинам по сравнению с вакуумными трубчатыми коллекторами.

Множество эвакуированных плоских пластинчатых коллекторов рядом с компактными солнечными концентраторами
SolarCollectorsCompare1.jpg Сравнение выходной энергии (кВт.ч / день) плоского пластинчатого коллектора (синие линии; Thermodynamics S42-P; абсорбер 2,8 м 2 ) и вакуумного трубчатого коллектора (зеленые линии; SunMaxx 20EVT; абсорбер 3,1 м 2. Данные получено из сертификационных документов SRCC в Интернете. Tm-Ta = разница температур между водой в коллекторе и температурой окружающей среды. Q = инсоляция во время измерений. Во-первых, по мере увеличения (Tm-Ta) плоский коллектор теряет эффективность быстрее, чем коллектор с откачивающей трубкой. Это означает, что коллектор с плоской пластиной менее эффективен в производстве воды, температура которой превышает температуру окружающей среды более чем на 25 ° C (то есть справа от красных меток на графике). Во-вторых, даже если производительность обоих коллекторов сильно падает в облачных условиях (низкая инсоляция) коллектор с вакуумной трубкой дает значительно больше энергии в условиях облачности, чем коллектор с плоской пластиной. Хотя многие факторы препятствуют экстраполяции от двух коллекторов к двум различным технологиям, описанным выше, основные отношения между их эффективностями остаются в силе.
Panelcomp2.jpg Полевое испытание, иллюстрирующее различия, представленные на рисунке слева. Коллектор с плоской пластиной и вакуумный трубчатый коллектор аналогичного размера были установлены рядом на крыше, каждый с насосом, контроллером и резервуаром для хранения. В течение дня регистрировались несколько переменных с кратковременным дождем и облачностью. Зеленая линия = солнечное излучение. Верхняя бордовая линия указывает температуру коллектора откачивающей трубки, при которой насос работает намного медленнее и даже останавливается примерно на 30 минут в прохладное время дня (слабое облучение), что указывает на медленный сбор тепла. Температура коллектора с плоской пластиной значительно упала в течение дня (нижняя фиолетовая линия), но снова начала меняться позже в тот же день, когда облучение увеличилось. Температура в резервуаре для воды системы эвакуационных труб (темно-синий график) повысилась на 8 градусов Цельсия в течение дня, в то время как температура в системе с плоскими пластинами (светло-синий график) оставалась неизменной. Предоставлено ITS-solar.

Плоские коллекторы обычно теряют больше тепла в окружающую среду, чем вакуумные трубки, потому что со стороны стекла нет изоляции. Вакуумные трубчатые коллекторы по своей сути имеют более низкое отношение поглотителя к общей площади (обычно на 60–80% меньше), чем плоские пластины, потому что трубы должны быть разнесены друг от друга. Хотя несколько европейских компаний производят коллекторы с вакуумированными трубками (в основном стеклометаллические), на рынке вакуумных труб преобладают производители из Китая, при этом некоторые компании имеют послужной список 15–30 лет и более. Нет однозначных доказательств того, что эти две конструкции отличаются долговременной надежностью. Однако технология вакуумных трубок (особенно для новых вариантов со стеклометаллическими уплотнениями и тепловыми трубками) все еще должна продемонстрировать конкурентоспособный срок службы. Модульность вакуумированных трубок может быть выгодной с точки зрения расширяемости и обслуживания, например, если вакуум в одной трубке с тепловой трубкой теряется, ее можно легко заменить с минимальными усилиями.

Диаграмма, показывающая, что коллекторы с плоской пластиной превосходят вакуумированные трубы до температуры на 67 ° C (120 ° F) выше температуры окружающей среды и, заштрихованные серым цветом, являются нормальным рабочим диапазоном для солнечных систем горячего водоснабжения.

В большинстве климатических условий плоские пластинчатые коллекторы обычно более рентабельны, чем вакуумные трубы. Тем не менее, вакуумные трубчатые коллекторы хорошо подходят для низких температур окружающей среды и хорошо работают в условиях низкой солнечной радиации, обеспечивая более стабильную подачу тепла в течение всего года. Неглазурованные плоские коллекторы являются предпочтительными устройствами для нагрева воды в плавательных бассейнах. Неглазурованные коллекторы могут использоваться в тропических или субтропических средах, если необходимо нагреть воду для бытового потребления менее чем на 20 ° C (36 ° F) выше температуры окружающей среды. Вакуумные трубчатые коллекторы имеют меньшее аэродинамическое сопротивление, что может упростить установку на крышах в ветреных местах. Зазоры между трубками могут позволить снегу падать через коллектор, сводя к минимуму потери производительности в некоторых снежных условиях, хотя недостаток тепла, излучаемого трубками, также может препятствовать эффективному сбросу скопившегося снега. Плоские коллекторы легче чистить. Другие свойства, такие как внешний вид и простота установки, более субъективны и их сложно сравнивать.

Вакуумные плоские коллекторы

Вакуумные плоские солнечные коллекторы обладают всеми преимуществами как плоских, так и вакуумных трубчатых коллекторов, объединенных вместе. Они окружают абсорбер из листового металла большой площади с высоким вакуумом внутри плоской оболочки из стекла и металла. Они предлагают самую высокую эффективность преобразования энергии среди всех неконцентрирующих солнечных тепловых коллекторов, но требуют сложной технологии для производства. Их не следует путать с плоскими пластинчатыми коллекторами с низким вакуумом внутри. Первый коллектор, в котором используется изоляция под высоким вакуумом, был разработан в ЦЕРН , а TVP SOLAR SA из Швейцарии была первой компанией, которая в 2012 году начала коммерциализацию сертифицированных коллекторов Solar Keymark.

Вакуумированные плоские солнечные коллекторы требуют как стекло-металлического уплотнения для соединения стеклянной пластины с остальной металлической оболочкой, так и внутренней конструкции для поддержки такой пластины против атмосферного давления. Поглотитель должен быть сегментирован или снабжен соответствующими отверстиями для размещения такой конструкции. Соединение всех частей должно быть герметичным, и только материалы с низким давлением пара могут использоваться для предотвращения выделения газа . Технология стеклометаллического уплотнения может быть основана на металлизированном стекле или остеклованном металле и определяет тип коллектора. В отличие от вакуумных трубчатых коллекторов, они используют насосы с неизвлекаемым газом (NEG) для поддержания стабильного внутреннего давления во времени. Преимущество этой технологии геттерного насоса заключается в обеспечении некоторой регенерации на месте под воздействием солнечного света. Вакуумные плоские солнечные коллекторы были изучены на предмет солнечного кондиционирования воздуха и сравнивались с компактными солнечными концентраторами.

Полимерные плоские коллекторы

Эти коллекторы являются альтернативой коллекционерам металла и теперь производятся в Европе. Они могут быть полностью полимерными или могут включать металлические пластины перед морозостойкими водяными каналами из силиконового каучука . Полимеры гибкие и, следовательно, устойчивы к замораживанию и могут использовать обычную воду вместо антифриза, так что они могут быть подключены непосредственно к существующим резервуарам для воды вместо теплообменников, которые снижают эффективность. При отказе от теплообменника температура не должна быть настолько высокой для включения циркуляционной системы, поэтому такие панели прямой циркуляции, будь то полимерные или другие, могут быть более эффективными, особенно при низких уровнях солнечного излучения . Некоторые ранние полимерные коллекторы с селективным покрытием страдали от перегрева при изоляции, так как температуры застоя могут превышать температуру плавления полимера. Например, температура плавления полипропилена составляет 160 ° C (320 ° F), в то время как температура застоя изолированных тепловых коллекторов может превышать 180 ° C (356 ° F), если стратегии управления не используются. По этой причине полипропилен не часто используется в застекленных солнечных коллекторах с селективным покрытием. Все чаще используются полимеры, такие как силиконы с высокими температурами (которые плавятся при температуре выше 250 ° C (482 ° F)). Некоторые застекленные солнечные коллекторы, не основанные на полипропиленовых полимерах, имеют матовое черное покрытие, а не выборочное покрытие, чтобы снизить температуру застоя до 150 ° C (302 ° F) или ниже.

В областях, где возможно замерзание, морозостойкость (способность многократно замерзать без растрескивания) может быть достигнута за счет использования гибких полимеров. Трубы из силиконовой резины используются для этой цели в Великобритании с 1999 года. Обычные металлические коллекторы уязвимы для повреждения от замерзания, поэтому, если они заполнены водой, их необходимо тщательно подключить к водопроводу, чтобы они полностью дренировали под действием силы тяжести, прежде чем ожидается замерзание, чтобы они не замерзли. трескаться. Многие металлические коллекторы устанавливаются как часть герметичной теплообменной системы. Вместо того, чтобы пропускать питьевую воду непосредственно через коллекторы, используется смесь воды и антифриза, например пропиленгликоля. Жидкий теплообменник защищает от замораживания вплоть до локально определенной температуры риска, которая зависит от доли пропиленгликоля в смеси. Использование гликоля незначительно снижает теплопроводность воды, а добавление дополнительного теплообменника может снизить производительность системы при слабом освещении.

Бассейн или неглазурованный коллектор - это простая форма плоского коллектора без прозрачной крышки. Обычно в качестве поглотителя используется полипропилен, каучук EPDM или силиконовый каучук. Используемый для подогрева бассейна, он может работать достаточно хорошо, когда желаемая температура на выходе близка к температуре окружающей среды (то есть, когда на улице тепло). По мере снижения температуры окружающей среды эти коллекторы становятся менее эффективными.

Сборщики чаш

Солнечный шар представляет собой тип солнечного теплового коллектора , который работает подобно параболические антенны , но вместо того , чтобы использовать для отслеживания параболического зеркала с фиксированным приемником, он имеет фиксированное сферическое зеркало с приемником слежения. Это снижает эффективность, но удешевляет строительство и эксплуатацию. Дизайнеры называют это солнечной энергетической системой с фиксированным зеркалом и распределенным фокусом . Основная причина его разработки заключалась в том, чтобы исключить стоимость перемещения большого зеркала для отслеживания солнца, как в случае с параболическими системами тарелок.

Неподвижное параболическое зеркало создает изображение солнца различной формы, движущегося по небу. Только когда зеркало направлено прямо на солнце, свет фокусируется в одной точке. Вот почему параболические тарелки отслеживают солнце. Фиксированное сферическое зеркало фокусирует свет в одном и том же месте независимо от положения солнца. Однако свет не направлен в одну точку, а распространяется по линии от поверхности зеркала до половины радиуса (по линии, проходящей через центр сферы и солнце).

Типичная плотность энергии вдоль фокальной линии 1/2 радиуса сферического отражателя

Когда солнце движется по небу, апертура любого фиксированного коллектора изменяется. Это вызывает изменения в количестве уловленного солнечного света, вызывая так называемый синусовый эффект выходной мощности. Сторонники конструкции солнечной чаши утверждают, что снижение общей выходной мощности по сравнению с параболическими зеркалами слежения компенсируется более низкой стоимостью системы.

Солнечный свет, сосредоточенный на фокальной линии сферического отражателя, собирается с помощью следящего приемника. Этот приемник поворачивается вокруг фокальной линии и обычно уравновешивается. Приемник может состоять из труб, по которым проходит жидкость для теплопередачи или фотоэлектрических элементов для прямого преобразования света в электричество.

Конструкция солнечной чаши возникла в результате проекта факультета электротехники Техасского технического университета, возглавляемого Эдвином О'Хэром, по разработке электростанции мощностью 5 МВт. Солнечная чаша была построена для города Кросбайтон, штат Техас, в качестве экспериментального объекта. Чаша имела диаметр 65 футов (20 м), наклонена под углом 15 ° для оптимизации соотношения затрат и урожайности (33 ° обеспечило бы максимальную производительность). Обод полусферы был «обрезан» до 60 °, создавая максимальную апертуру 3 318 квадратных футов (308,3 м 2 ). Эта пилотная чаша вырабатывала пиковую мощность 10 кВт.

Солнечная чаша в Ауровиле диаметром 15 метров (49 футов) была разработана в результате более раннего испытания 3,5-метровой (11 футов) чаши в 1979–1982 годах Институтом энергетических исследований Тата . Этот тест показал использование солнечной чаши для производства пара для приготовления пищи. Полномасштабный проект строительства солнечной чаши и кухни начался с 1996 года и был полностью введен в эксплуатацию к 2001 году.

В местах со средней доступной солнечной энергией плоские коллекторы имеют размер примерно от 1,2 до 2,4 квадратных дециметра на литр дневного потребления горячей воды.

Приложения

В основном эта технология используется в жилых домах, где потребность в горячей воде оказывает большое влияние на счета за электроэнергию. Обычно это означает ситуацию с большой семьей или ситуацию, в которой потребность в горячей воде чрезмерна из-за частой стирки белья. Коммерческие приложения включают прачечные самообслуживания, автомойки, военные прачечные и заведения общественного питания. Эту технологию также можно использовать для обогрева помещений, если здание находится вне сети или если энергоснабжение часто отключается. Солнечные водонагревательные системы, скорее всего, будут экономически эффективными для предприятий с системами водяного отопления, которые дороги в эксплуатации, или для таких операций, как прачечные или кухни, которые требуют большого количества горячей воды. Неглазурованные жидкостные коллекторы обычно используются для нагрева воды в плавательных бассейнах, но могут также применяться для крупномасштабного предварительного нагрева воды. Когда нагрузки велики по сравнению с доступной площадью коллектора, основная часть нагрева воды может выполняться при низкой температуре, ниже температуры плавательного бассейна, где неглазурованные коллекторы хорошо зарекомендовали себя на рынке как правильный выбор. Поскольку эти коллекторы не должны выдерживать высокие температуры, они могут использовать менее дорогие материалы, такие как пластик или резина. Многие неглазурованные коллекторы сделаны из полипропилена и должны быть полностью осушены, чтобы избежать повреждения от замерзания, когда температура воздуха опускается ниже 44 ° F (7 ° C) в ясные ночи. Меньший, но растущий процент неглазурованных коллекторов являются гибкими, что означает, что они могут выдерживать замерзание воды внутри абсорбера. Проблема замерзания должна быть связана только с заполненными водой трубопроводами и коллекторами в условиях сильного замерзания. Незастекленные солнечные системы горячего водоснабжения следует устанавливать так, чтобы «сливать обратно» в накопительный бак, когда солнечной радиации недостаточно. При использовании неглазурованных систем нет проблем с тепловым ударом. Неглазурованные солнечные коллекторы, обычно используемые для обогрева бассейнов с самого начала появления солнечной энергии, нагревают воду в бассейне напрямую, без необходимости использования антифриза или теплообменников. Для солнечных систем с горячей водой требуются теплообменники из-за возможности загрязнения, а в случае неглазурованных коллекторов - разницы давлений между рабочей жидкостью (вода) и нагрузкой (холодная городская вода под давлением). Крупномасштабные неглазурованные солнечные водонагреватели, такие как водонагреватель в аквацентре Минору в Ричмонде, Британская Колумбия, работают при более низких температурах, чем вакуумные трубчатые или закрытые и застекленные коллекторные системы. Хотя для них требуются более крупные и дорогие теплообменники, все другие компоненты, включая вентилируемые резервуары для хранения и неизолированные пластиковые трубы из ПВХ, значительно снижают стоимость этой альтернативы по сравнению с типами коллекторов с более высокими температурами. Нагревая горячую воду, мы фактически нагреваем холодную воду в теплую и из тепла в горячую. Мы можем нагревать от холода до тепла с такой же эффективностью с помощью неглазурованных коллекторов, так же как мы можем нагревать тепло от тепла с помощью высокотемпературных коллекторов.

Солнечные тепловые коллекторы, нагревающие воздух

Простой солнечный воздушный коллектор состоит из абсорбирующего материала, иногда имеющего избирательную поверхность, для улавливания солнечного излучения и передачи этой тепловой энергии воздуху посредством теплопроводной передачи тепла. Этот нагретый воздух затем направляется в пространство здания или в производственную зону, где нагретый воздух используется для обогрева помещения или технологических нужд. Работая аналогично традиционной печи с принудительной подачей воздуха, солнечно-тепловые-воздушные системы вырабатывают тепло, циркулируя воздух по поверхности, собирающей энергию, поглощая солнечную тепловую энергию и направляя воздух, контактирующий с ней. Простые и эффективные коллекторы могут быть изготовлены для различных систем кондиционирования воздуха и технологических процессов.

Во многих приложениях можно использовать технологии солнечного нагрева воздуха для уменьшения углеродного следа от использования традиционных источников тепла, таких как ископаемое топливо, для создания устойчивых средств производства тепловой энергии. Такие области применения, как отопление помещений, продление сезона в теплицах, предварительный подогрев воздуха для вентиляции или технологическое тепло, могут быть решены с помощью устройств солнечного нагрева воздуха. В области « солнечной когенерации » солнечные тепловые технологии сочетаются с фотоэлектрической системой (PV) для повышения эффективности системы за счет отвода тепла от фотоэлектрических коллекторов, охлаждения фотоэлектрических панелей для улучшения их электрических характеристик при одновременном нагревании воздуха. для отопления помещений.

Отопление и вентиляция помещений

Отопление помещений для жилых и коммерческих помещений может осуществляться с помощью солнечных панелей для нагрева воздуха. Эта конфигурация работает путем забора воздуха из оболочки здания или из внешней среды и прохождения его через коллектор, где воздух нагревается за счет теплопроводности от поглотителя, а затем подается в жилое или рабочее пространство либо пассивными средствами, либо с помощью поклонник. Первопроходцем в создании такого типа систем был Джордж Лёф, построивший в 1945 году воздушную систему с солнечным обогревом для дома в Боулдере, штат Колорадо. Позже он установил гравийную подушку для хранения тепла.

В большинстве коммерческих, промышленных и институциональных зданий требуется вентиляция, свежий или свежий воздух, чтобы соответствовать требованиям норм. Всасывая воздух через правильно спроектированный неглазурованный коллектор или воздухонагреватель, свежий воздух, нагретый солнечными батареями, может снизить тепловую нагрузку в дневное время. В настоящее время устанавливается множество приложений, в которых испарившийся коллектор предварительно нагревает свежий воздух, поступающий в вентилятор с рекуперацией тепла, чтобы сократить время оттаивания HRV. Чем выше вентиляция и температура, тем лучше срок окупаемости.

Технологический нагрев

Солнечное воздушное тепло также используется в технологических процессах, таких как сушка белья, сельскохозяйственных культур (например, чая, кукурузы, кофе) и других сферах сушки. Воздух, нагретый через солнечный коллектор, а затем пропущенный через среду, подлежащую сушке, может обеспечить эффективное средство для снижения содержания влаги в материале.

Типы солнечных коллекторов воздушного отопления

Коллекторы обычно подразделяются на три типа воздуховодов:

  • проходные коллекторы
  • передний проход
  • обратный проход
  • комбинированные коллекторы переднего и заднего прохода

Коллекторы также можно классифицировать по их внешней поверхности:

  • застекленный
  • неглазурованный

Коллектор проходного воздуха

Проходная конфигурация обеспечивает наивысшую эффективность среди всех солнечных технологий. Воздух, проходящий с одной стороны абсорбера, проходит через перфорированный материал и нагревается за счет проводящих свойств материала и конвективных свойств движущегося воздуха. Проходные поглотители имеют наибольшую площадь поверхности, что обеспечивает относительно высокие скорости теплопроводности, но для значительного падения давления может потребоваться большая мощность вентилятора, а износ некоторых материалов поглотителя после многих лет воздействия солнечного излучения может дополнительно создать проблемы с качеством воздуха и рабочими характеристиками. .

Задний, передний и комбинированный воздухосборник

В конфигурациях обратного, переднего и комбинированного типа воздух направляется либо на заднюю, либо на переднюю, либо на обе стороны абсорбера, чтобы нагреться от возврата к коллекторам каналов подачи. Хотя прохождение воздуха по обеим сторонам поглотителя обеспечит большую площадь поверхности для теплопроводной передачи тепла, проблемы с пылью (засорение) могут возникать из-за прохождения воздуха на передней стороне поглотителя, что снижает эффективность поглотителя из-за ограничения количества получаемого солнечного света. . В холодном климате воздух, проходящий рядом с остеклением, дополнительно вызывает большие потери тепла, что приводит к снижению общей производительности коллектора.

Застекленные системы

Остекленные системы обычно имеют прозрачный верхний лист и изолированные боковые и задние панели для минимизации потерь тепла в окружающий воздух. Поглотительные плиты в современных панелях могут иметь поглощающую способность более 93%. Застекленные солнечные коллекторы (рециркуляционные типы, которые обычно используются для отопления помещений). Воздух обычно проходит через переднюю или заднюю часть абсорбирующей пластины, отводя тепло непосредственно от нее. Затем нагретый воздух можно распределять напрямую для таких применений, как обогрев и сушка помещений, или хранить для дальнейшего использования. Окупаемость застекленных солнечных панелей воздушного отопления может составлять менее 9–15 лет в зависимости от заменяемого топлива.

Неглазурованные системы

Неглазурованные системы или системы вентилируемого воздуха использовались для нагрева подпиточного или вентиляционного воздуха в коммерческих, промышленных, сельскохозяйственных и технологических применениях. Они состоят из пластины поглотителя, через которую проходит воздух, отводя тепло от поглотителя. Непрозрачные материалы для остекления дешевле и сокращают ожидаемые сроки окупаемости. Проходящие коллекторы считаются «неглазурованными», потому что их поверхности коллекторов подвержены воздействию элементов, часто непрозрачны и не герметичны.

Неглазурованные солнечные коллекторы

Фон

Термин «неглазурованный коллектор воздуха» относится к системе солнечного нагрева воздуха, которая состоит из металлического поглотителя без какого-либо стекла или остекления сверху. Самый распространенный тип неглазурованного коллектора на рынке - это солнечный коллектор. Эти правительственные агентства тщательно контролируют технологию, и компания Natural Resources Canada разработала технико-экономическое обоснование RETScreen ™ для моделирования экономии энергии от установленных солнечных коллекторов. С того времени несколько тысяч просвечиваемых солнечных коллекторов были установлены в различных коммерческих, промышленных, институциональных, сельскохозяйственных и технологических приложениях в странах по всему миру. Эта технология первоначально использовалась в основном в промышленных приложениях, таких как производственные и сборочные предприятия, где были высокие требования к вентиляции, многослойное потолочное отопление и часто отрицательное давление в здании. В связи с растущим стремлением к установке систем возобновляемой энергии в зданиях, теплопроводящие солнечные коллекторы теперь используются во всем строительном фонде из-за высокого производства энергии (до 750 пиковых тепловых ватт на квадратный метр), высокого преобразования солнечной энергии (до 90%) и более низкие капитальные затраты по сравнению с солнечными фотоэлектрическими батареями и солнечным водонагревателем.

Солнечное воздушное отопление - это гелиотермическая технология, в которой энергия солнца, солнечной инсоляции, улавливается поглощающей средой и используется для нагрева воздуха.

Солнечное воздушное отопление - это технология нагрева с использованием возобновляемых источников энергии, используемая для нагрева или кондиционирования воздуха в зданиях или в технологических системах отопления. Как правило, это наиболее экономически эффективная из всех солнечных технологий, особенно в крупномасштабных приложениях, и она направлена ​​на максимальное использование энергии зданий в климатических условиях отопления, а именно на отопление помещений и промышленное технологическое отопление. Они либо глазированные, либо неглазурованные.

Метод работы

Воздухосборники без остекления нагревают окружающий (наружный) воздух вместо рециркулирующего воздуха в здании. Солнечные коллекторы с прозрачным светом обычно монтируются на стену, чтобы улавливать нижний угол наклона солнца в зимние отопительные месяцы, а также отражать солнце от снега и обеспечивать их оптимальную производительность и окупаемость инвестиций при работе с расходом от 4 до 8 кубических футов в минуту на квадратный фут. (От 72 до 144 м3 / ч.м2) площади коллектора.

Внешняя поверхность просвечиваемого солнечного коллектора состоит из тысяч крошечных микроперфораций, которые позволяют захватывать пограничный слой тепла и равномерно втягивать его в воздушную полость за внешними панелями. Этот нагретый вентиляционный воздух всасывается под отрицательным давлением в систему вентиляции здания, где затем распределяется обычными средствами или с помощью системы солнечных каналов.

Горячий воздух, который может попасть в систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, подключенную к вентилируемому коллектору, воздуховыпускные отверстия которого расположены вдоль верхней части коллектора, особенно если коллектор обращен на запад. Чтобы решить эту проблему, Matrix Energy запатентовала коллектор с более низким расположением выхода воздуха и перфорированной полостью, создающей повышенную турбулентность воздуха за перфорированным поглотителем для повышения производительности.

На этом виде в разрезе показаны компоненты солнечного коллектора MatrixAir и воздушный поток. Нижний воздухозаборник уменьшает попадание нагретого воздуха в систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в летнее время.

Обширный мониторинг, проведенный Natural Resources Canada и NREL, показал, что системы солнечных коллекторов снижают на 10-50% обычную тепловую нагрузку и что RETScreen является точным предсказателем производительности системы. Просвечивающие солнечные коллекторы действуют как защита от дождя, а также улавливают потери тепла, выходящие из оболочки здания, которые собираются в воздушной полости коллектора и возвращаются в систему вентиляции. Солнечные системы воздушного отопления не требуют обслуживания, а ожидаемый срок службы составляет более 30 лет.

Варианты просвечиваемых солнечных коллекторов

Неглазурованные прозрачные коллекторы также могут быть установлены на крыше в тех случаях, когда нет подходящей южной стены или по другим архитектурным соображениям. Matrix Energy Inc. запатентовала устанавливаемый на крышу продукт под названием «Delta» - модульную солнечную систему воздушного отопления, устанавливаемую на крыше, где фасады, выходящие на юг, восток или запад, просто недоступны.

Каждый десятифутовый (3,05 м) модуль будет подавать 250 кубических футов в минуту (425 м3 / ч) предварительно нагретого свежего воздуха, что обычно обеспечивает ежегодную экономию энергии в размере 1100 кВтч (4 ГДж) в год. Этот уникальный двухступенчатый модульный коллектор, монтируемый на крыше, работает с эффективностью почти 90%, каждый модуль обеспечивает более 118 л / с предварительно нагретого воздуха на два квадратных метра коллектора. До семи коллекторов могут быть подключены последовательно в один ряд, без ограничения количества рядов, соединенных параллельно вдоль одного центрального канала, что обычно дает 4 кубических фута в минуту предварительно нагретого воздуха на квадратный фут доступной площади крыши.

Транспортированные коллекторы можно настроить на двойной нагрев воздуха для повышения температуры подаваемого воздуха, что делает их пригодными для обогрева помещений, а также для обогрева вентиляционного воздуха. В двухступенчатой ​​системе первая ступень представляет собой типичный неглазурованный коллектор, а вторая ступень имеет остекление, закрывающее просвечиваемый коллектор. Остекление позволяет направлять весь нагретый воздух из первой ступени через вторую группу коллекторов для второй ступени солнечного нагрева.

Солнечные тепловые коллекторы, вырабатывающие электроэнергию

Параболические желоба , тарелки и башни, описанные в этом разделе, используются почти исключительно на солнечных электростанциях или в исследовательских целях. Параболические желоба используются в некоторых коммерческих солнечных системах кондиционирования воздуха . Несмотря на свою простоту, эти солнечные концентраторы довольно далеки от теоретической максимальной концентрации. Например, концентрация параболического желоба составляет примерно 1/3 теоретического максимума для того же угла приема , то есть для тех же общих допусков для системы. Приближение к теоретическому максимуму может быть достигнуто за счет использования более сложных концентраторов на основе безобразующей оптики . Солнечные тепловые коллекторы также могут использоваться вместе с фотоэлектрическими коллекторами для получения комбинированного тепла и электроэнергии.

Параболический желоб

Параболический желоб

Этот тип коллектора обычно используется на солнечных электростанциях . Параболический отражатель в форме желоба используется для концентрации солнечного света на изолированной трубке (трубке Дьюара ) или тепловой трубке , помещенной в фокус , содержащей хладагент, который передает тепло от коллекторов к котлам на электростанции.

Параболическая тарелка

Солнечная параболическая тарелка

С параболическим тарельчатым коллектором одна или несколько параболических тарелок концентрируют солнечную энергию в одной фокусной точке, подобно тому, как отражающий телескоп фокусирует звездный свет, или тарельчатая антенна фокусирует радиоволны. Эта геометрия может использоваться в солнечных печах и солнечных электростанциях.

Форма параболы означает, что падающие световые лучи, параллельные оси тарелки, будут отражаться в сторону фокуса, независимо от того, куда они попадают. Свет от Солнца попадает на поверхность Земли почти полностью параллельно, а тарелка выровнена по своей оси, направленной на Солнце, что позволяет почти всему входящему излучению отражаться к фокусной точке тарелки. Большинство потерь в таких коллекторах связано с дефектами параболической формы и несовершенным отражением.

Потери из-за атмосферного рассеяния, как правило, минимальны. Однако в пасмурный или туманный день свет рассеивается во всех направлениях через атмосферу, что значительно снижает эффективность параболической антенны. В посудомоечных Стирлинге конструкций силовой установки, двигатель Стирлинга , соединенный с динамо помещаются в фокусе тарелки. Это поглощает сосредоточенную на нем энергию и преобразует ее в электричество.

Башня силы

Башня солнечной энергии

Силовая башня - это большая башня, окруженная зеркалами слежения, называемыми гелиостатами . Эти зеркала выравниваются и фокусируют солнечный свет на приемник наверху башни, а собранное тепло передается на электростанцию ​​внизу. Эта конструкция достигает очень высоких температур. Высокие температуры подходят для выработки электроэнергии с использованием традиционных методов, таких как паровая турбина или прямая высокотемпературная химическая реакция, такая как жидкая соль. Концентрируя солнечный свет, современные системы могут получить лучшую эффективность, чем простые солнечные элементы. Большую площадь можно покрыть, используя относительно недорогие зеркала, а не дорогие солнечные элементы . Концентрированный свет может быть перенаправлен в подходящее место через оптоволоконный кабель для таких целей, как освещение зданий. Накопление тепла для выработки электроэнергии в облачные и ночные условия может быть достигнуто, часто за счет подземного резервуара для хранения нагретых жидкостей. С хорошим эффектом были использованы расплавленные соли . Другие рабочие жидкости, такие как жидкие металлы, также были предложены из-за их превосходных термических свойств.

Однако концентрирующие системы требуют отслеживания солнца, чтобы поддерживать фокусировку солнечного света на коллекторе. Они не могут обеспечить значительную мощность в условиях рассеянного света . Солнечные элементы могут обеспечивать некоторую мощность, даже если небо становится облачным, но выходная мощность концентрирующих систем резко падает в облачных условиях, поскольку рассеянный свет не может быть хорошо сконцентрирован.

Стандарты

  • Методы испытаний ISO для солнечных коллекторов.
  • EN 12975 : Тепловые солнечные системы и компоненты. Солнечные коллекторы.
  • EN 12976 : Тепловые солнечные системы и компоненты. Системы заводского изготовления.
  • EN 12977 : Тепловые солнечные системы и компоненты. Системы на заказ.
  • Solar Keymark: Тепловые солнечные системы и компоненты. Сертификация серии EN 1297X более высокого уровня, которая включает посещение завода.
  • Международный совет по кодам / Solar Rating & Certification Corporation: Испытания проводятся независимыми лабораториями и обычно включают выбор коллектора для тестирования из группы образцов, состоящей как минимум из шести солнечных коллекторов.
  • ICC 901 / ICC-SRCC ™ 100: Стандартный солнечный тепловой коллектор
  • ICC 900 / ICC-SRCC ™ 300: Стандарт солнечной тепловой системы
  • ICC 902 / APSP 902 / ICC-SRCC ™ 400: стандартная солнечная система обогрева бассейна и спа

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки