Солнечный тепловой коллектор

Чтобы узнать о производстве электроэнергии из солнечного излучения, см. Солнечная панель , солнечный элемент и фотоэлектрическая энергия .

Система водяного отопления развернута на плоской крыше. Трубы, отводящие тепло, можно увидеть встроенными в поглотитель — плоскую пластину, окрашенную в черный цвет. В этом примере тепло сохраняется в резервуаре над панелями.

Солнечный тепловой коллектор собирает тепло солнечный , поглощая свет . Термин «солнечный коллектор» обычно относится к устройству для солнечного нагрева горячей воды , но может относиться и к крупным энергетическим установкам, таким как солнечные параболические желоба и солнечные башни , или к устройствам неводяного нагрева , таким как солнечные плиты или солнечные воздухонагреватели .

Солнечные тепловые коллекторы бывают неконцентрирующими и концентрирующими. В неконцентрирующих коллекторах площадь апертуры (т. е. площадь, воспринимающая солнечное излучение ) примерно равна площади поглотителя (т. е. площади, поглощающей 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, проходящей по трубам, прикрепленным к пластине.

Концентрирующие коллекторы имеют апертуру значительно большую, чем площадь абсорбера. Апертура обычно имеет форму зеркала , сфокусированного на поглотителе, которым в большинстве случаев являются трубы, несущие рабочую жидкость. Из-за движения солнца в течение дня концентрирующим коллекторам часто требуется какая-либо система слежения за солнечной энергией, и по этой причине их иногда называют «активными» коллекторами.

Неконцентрирующие коллекторы обычно используются в жилых, промышленных и коммерческих зданиях для отопления помещений , тогда как концентрирующие коллекторы в концентрированных солнечных электростанциях генерируют электроэнергию путем нагрева теплоносителя для привода турбины , подключенной к электрическому генератору .

Отопление воды

Солнечные коллекторы с плоскими пластинами и вакуумными трубками в основном используются для сбора тепла для отопления помещений, горячего водоснабжения или охлаждения с помощью абсорбционного охладителя . В отличие от солнечных панелей для нагрева воды, они используют циркулирующую жидкость для перемещения тепла в отдельный резервуар. Первый солнечный тепловой коллектор, предназначенный для крыш зданий, был запатентован Уильямом Х. Геттлем и назван « Солнечный тепловой коллектор 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 в качестве жидкости пар вместо воды.

Плоские коллекторы

Два плоских солнечных коллектора, расположенных рядом.

Плоские коллекторы являются наиболее распространенной солнечной тепловой технологией в Европе . Они состоят из (1) корпуса, содержащего (2) поглощающую пластину темного цвета с каналами для циркуляции жидкости и (3) прозрачную крышку, обеспечивающую передачу солнечной энергии в корпус. Боковые и задняя части корпуса обычно изолированы, чтобы уменьшить потери тепла в окружающую среду. Жидкий теплоноситель циркулирует по жидкостным каналам абсорбера для отвода тепла от солнечного коллектора. Циркуляционной жидкостью в тропическом и субтропическом климате обычно является вода. жидкий теплоноситель, аналогичный раствору автомобильного антифриза В климатических условиях, где вероятно замерзание, вместо воды или в смеси с водой можно использовать . Если используется жидкий теплоноситель, обычно используется теплообменник для передачи тепла от жидкости солнечного коллектора к резервуару 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 блока поглотителя наносится темное покрытие для увеличения поглощения солнечной энергии. Распространенным поглощающим покрытием является черная эмалевая краска.

В конструкциях солнечных коллекторов с более высокой производительностью прозрачная крышка представляет собой закаленное натриево-кальциевое стекло с пониженным содержанием оксида железа , как и в фотоэлектрических солнечных панелях . Стекло также может иметь точечный рисунок и одно или два просветляющих покрытия для дальнейшего повышения прозрачности . Поглощающее покрытие обычно представляет собой селективное покрытие, где селективность означает наличие особых оптических свойств, позволяющих сочетать высокое поглощение в видимой части электромагнитного спектра с низким коэффициентом излучения в инфракрасном спектре. Это создает селективную поверхность , которая уменьшает черного тела излучение энергии из поглотителя и повышает производительность. Трубопроводы могут быть приварены к поглощающему листу лазером или ультразвуком, чтобы уменьшить повреждение селективного покрытия, которое обычно наносится перед соединением с большими рулонами в процессе рулонной печати .

абсорбера Конфигурации трубопроводов включают в себя:

• арфа : традиционная конструкция с нижними стояками и верхней коллекторной трубой, используется в термосифонных и насосных системах низкого давления;
• змеевик : одна непрерывная труба S-образной формы, которая максимизирует температуру , но не общий выход энергии в системах с переменным потоком, используется в компактных солнечных системах горячего водоснабжения только для бытовых нужд (без обогрева помещений);
• затопленный: состоит из двух листов металла , отформованных для создания широкой зоны циркуляции, улучшающей теплообмен ;
• пограничный слой : состоящий из нескольких слоев прозрачных и непрозрачных листов, обеспечивающих поглощение в пограничном слое. Поскольку энергия поглощается в пограничном слое, преобразование тепла может быть более эффективным, чем в коллекторах, где поглощенное тепло передается через материал перед накоплением в циркулирующей жидкости.

Плоский пластинчатый коллектор, в котором используется сотовая структура для уменьшения теплопотерь, в том числе и со стороны стекла, также доступен на рынке. Срок службы большинства плоских коллекторов составляет более 25 лет. .

Вакуумные трубчатые коллекторы

Вакуумный трубчатый коллектор

Прямоточная вакуумная трубка

Вакуумная трубка с тепловой трубкой

Массив вакуумных трубчатых коллекторов на крыше

Вакуумные трубчатые коллекторы являются наиболее распространенной солнечной тепловой технологией в мире. В них используется стеклянная трубка, окружающая абсорбер высоким вакуумом и эффективно противостоящая атмосферному давлению . Вакуум, окружающий поглотитель, значительно снижает за счет конвекции и кондукции потери тепла , тем самым обеспечивая более высокую эффективность преобразования энергии . Поглотитель может быть либо металлическим, как в случае плоских пластинчатых коллекторов, либо представлять собой вторую концентрическую стеклянную трубку («Сиднейская трубка»). Жидкий теплоноситель может втекать и выходить из каждой трубки или находиться в контакте с тепловой трубкой, проникающей внутрь трубки. В последнем случае тепловые трубки передают тепло жидкости в теплообменнике, называемом «коллектором», расположенном поперечно трубкам. Коллектор обернут изоляцией ( стекловата ) и покрыт защитным металлическим или пластиковым корпусом, который также используется для крепления к опорам.

Стеклометаллические вакуумные трубки изготавливаются с плоскими или изогнутыми металлическими листами-поглотителями, такими же, как и плоские пластины. Эти листы соединяются с трубками или тепловыми трубками, образуя «ребра», и помещаются внутри одной 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 (поверхность внутренней трубки) не разрушатся до тех пор, пока не будет потерян вакуум. высоковакуумонепроницаемое стеклометаллическое уплотнение Однако на одной или обеих сторонах каждой вакуумированной трубки требуется . Это уплотнение переключается между температурой окружающей среды и температурой жидкости каждый день работы коллектора, что может со временем привести к сбоям.

Вакуумные трубки из стеклостекла состоят из двух трубок из боросиликатного стекла, сплавленных вместе на одном или обоих концах (аналогично вакуумной бутылке или колбе Дьюара). Ребро абсорбера расположено внутри внутренней трубки при атмосферном давлении. Стеклянные трубки имеют очень надежное уплотнение, но два слоя стекла уменьшают количество солнечного света, попадающего на поглотитель. Чтобы избежать этого, селективное покрытие можно нанести на внутреннюю боросиликатную трубку (сторона высокого вакуума), но в этом случае тепло должно проходить через плохо проводящую толщину стекла внутренней трубки. Кроме того, влага может попасть в невакуумированную зону внутри внутренней трубки и вызвать коррозию абсорбера , особенно если он изготовлен из разнородных материалов ( гальваническая коррозия ).

Бариевый насос мгновенного геттера обычно испаряется внутри высоковакуумного зазора между трубками, чтобы поддерживать стабильное внутреннее давление во времени.

Высокие температуры, которые могут возникать внутри вакуумных трубок, могут потребовать специальной конструкции для предотвращения перегрева . Некоторые коллекторы с вакуумными трубками работают как тепловой односторонний клапан благодаря своим тепловым трубкам. Это дает им собственную максимальную рабочую температуру , которая действует как функция безопасности. Коллекторы из вакуумных трубок также могут быть оснащены отражателями с низкой концентрацией в задней части трубок, образующими коллектор CPC.

Сравнение плоских пластинчатых и вакуумных трубчатых коллекторов

Между сторонниками этих двух технологий существует давний спор. Частично это может быть связано со структурой вакуумных трубчатых коллекторов, которые имеют прерывистую область поглощения. Группа коллекторов из вакуумных трубок на крыше имеет пространство между отдельными трубками и вакуумный зазор между каждой трубкой и ее абсорбером внутри, покрывая лишь часть площади установки на крыше. Если сравнить вакуумные трубы с плоскими коллекторами на основе занимаемой площади крыши (общая площадь), можно прийти к другому выводу, чем если бы сравнивались площади поглотителя или апертуры. Недавняя версия стандарта ISO 9806. утверждает, что эффективность солнечных тепловых коллекторов должна измеряться с точки зрения общей площади, и это может отдавать предпочтение плоским пластинам по сравнению с вакуумными трубчатыми коллекторами при прямом сравнении.

Массив вакуумированных плоских коллекторов рядом с компактными солнечными концентраторами.

Сравнение выходной мощности (кВтч/день) плоского пластинчатого коллектора (синие линии; Термодинамика S42-P). ; поглотитель 2,8 м ² ) и вакуумный трубчатый коллектор (зеленые линии; SunMaxx 20EVT). ; поглотитель 3,1 м ² . Данные получены из сертификационных документов SRCC в Интернете. Tm-Ta = разница температур воды в коллекторе и температуры окружающей среды. Q = инсоляция во время измерений. Во-первых, по мере увеличения (Tm-Ta) плоский коллектор теряет эффективность быстрее, чем коллектор с вакуумной трубкой. Это означает, что плоский коллектор менее эффективен при производстве воды с температурой выше температуры окружающей среды, превышающей 25 градусов Цельсия (т.е. справа от красных отметок на графике). Во-вторых, несмотря на то, что выходная мощность обоих коллекторов сильно падает в облачных условиях (низкая инсоляция), коллектор с вакуумной трубкой дает значительно больше энергии в облачность, чем плоский коллектор. Хотя многие факторы препятствуют экстраполяции двух коллекторов на две разные технологии, основные соотношения между их эффективностью остаются в силе. .

Полевое испытание иллюстрирующие различия, обсуждаемые на рисунке слева. Плоский пластинчатый коллектор и вакуумный трубчатый коллектор аналогичного размера были установлены рядом на крыше, каждый из которых имел насос, контроллер и резервуар для хранения. Несколько переменных были зарегистрированы в течение дня с периодическими дождями и облаками. Зеленая линия = солнечное излучение. Верхняя темно-бордовая линия указывает температуру коллектора вакуумной трубки, при которой работа насоса происходит намного медленнее и даже останавливается примерно на 30 минут в прохладное время дня (низкое облучение), что указывает на медленную скорость сбора тепла. Температура плоского пластинчатого коллектора значительно упала в течение дня (нижняя фиолетовая линия), но снова начала циклироваться позже в тот же день, когда облучение увеличилось. Температура в резервуаре для хранения воды системы эвакуационных трубок (темно-синий график) увеличилась на 8 градусов Цельсия в течение дня, в то время как температура в системе плоских пластин (светло-синий график) осталась только постоянной. С разрешения компании ITS-solar.

Плоские коллекторы обычно теряют больше тепла в окружающую среду, чем вакуумные трубы, поскольку со стороны стекла нет изоляции. Вакуумные трубчатые коллекторы по своей сути имеют более низкое соотношение поглотителя к общей площади (обычно на 60–80% меньше), чем плоские пластинчатые коллекторы, поскольку трубы необходимо располагать на расстоянии друг от друга. Хотя несколько европейских компаний производят коллекторы из вакуумных трубок (в основном стеклометаллического типа), на рынке вакуумных трубок доминируют производители в Китае, причем некоторые компании имеют опыт работы 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 стеклянно-металлическими уплотнениями и тепловыми трубками) все еще должна продемонстрировать конкурентоспособный срок службы. Модульность вакуумных трубок может быть выгодна с точки зрения расширяемости и обслуживания, например, если вакуум в одной тепловой трубке пропадет, ее можно будет легко заменить с минимальными усилиями.

Диаграмма показывает, что плоские коллекторы превосходят вакуумные трубы при температуре до 67 ° C (120 ° F) выше температуры окружающей среды и (заштрихованы серым цветом) - нормальный рабочий диапазон для солнечных систем горячего водоснабжения.

В большинстве климатических условий плоские пластинчатые коллекторы, как правило, более экономичны, чем вакуумные трубки. Однако коллекторы с вакуумными трубками хорошо подходят для низких температур окружающей среды и хорошо работают в условиях низкой солнечной радиации, обеспечивая более стабильное тепло в течение всего года. Неглазурованные плоские коллекторы являются предпочтительными устройствами для нагрева воды в бассейне. Неглазурованные коллекторы могут подойти для тропических или субтропических регионов, если необходимо нагреть горячую воду менее чем на 20 °C (36 °F) по сравнению с температурой окружающей среды. Вакуумные трубчатые коллекторы имеют меньшее аэродинамическое сопротивление, что упрощает установку на крышах в ветреных местах. Зазоры между трубками могут позволить снегу проваливаться через коллектор, сводя к минимуму потери производительности в некоторых снежных условиях, хотя отсутствие тепла, излучаемого трубками, также может препятствовать эффективному сбросу скопившегося снега. Плоские пластинчатые коллекторы легче чистить. Другие свойства, такие как внешний вид и простота установки, более субъективны и их сложно сравнивать.

Вакуумированные плоские коллекторы

Вакуумные плоские солнечные коллекторы сочетают в себе все преимущества плоских пластинчатых и вакуумных трубчатых коллекторов. Они окружают поглотитель большой площади из листового металла с высоким вакуумом внутри плоской оболочки из стекла и металла. Они обеспечивают самую высокую эффективность преобразования энергии среди всех неконцентрирующих солнечных тепловых коллекторов. но требуют сложной технологии производства. Их не следует путать с плоскими пластинчатыми коллекторами с низким вакуумом внутри. Первый коллектор, использующий высоковакуумную изоляцию, был разработан в ЦЕРНе . в то время как TVP SOLAR SA из Швейцарии была первой компанией, которая в 2012 году начала коммерциализировать сертифицированные коллекторы Solar Keymark.

Вакуумные плоские солнечные коллекторы требуют как стеклометаллического уплотнения для соединения стеклянной пластины с остальной частью металлической оболочки, так и внутренней конструкции для поддержки такой пластины от атмосферного давления. Поглотитель должен быть сегментирован или снабжен подходящими отверстиями для размещения такой конструкции. Соединение всех частей должно быть высоковакуумонепроницаемым, а только материалы с низким давлением паров можно использовать для предотвращения газовыделения . Технология стеклометаллического уплотнения может быть основана либо на металлизированном стекле. или остеклованный металл и определяет тип коллектора. В отличие от вакуумных трубчатых коллекторов, в них используются неиспаряющиеся геттерные насосы (NEG) для поддержания стабильного внутреннего давления во времени. Эта технология геттерного насоса имеет то преимущество, что обеспечивает некоторую регенерацию на месте под воздействием солнечного света. Вакуумные плоские солнечные коллекторы были изучены для кондиционирования воздуха и сравнены с компактными солнечными концентраторами.

Полимерные плоские коллекторы

Эти коллекторы являются альтернативой металлическим коллекторам. Они могут быть полностью полимерными или включать металлические пластины перед морозостойкими водяными каналами из силиконовой резины . Полимеры гибки и, следовательно, устойчивы к замерзанию, и вместо антифриза можно использовать простую воду, так что их можно подключать непосредственно к существующим резервуарам для воды вместо необходимости использования теплообменников, которые снижают эффективность. Благодаря отказу от теплообменника температура не должна быть такой высокой для включения системы циркуляции, поэтому такие панели с прямой циркуляцией, полимерные или другие, могут быть более эффективными, особенно при низких уровнях солнечного излучения . Некоторые ранние полимерные коллекторы с селективным покрытием страдали от перегрева в изолированном состоянии, поскольку температура застоя могла превышать точку плавления полимера. Например, температура плавления полипропилена составляет 160 °C (320 °F), а температура застоя изолированных тепловых коллекторов может превышать 180 °C (356 °F), если не используются стратегии управления. По этой причине полипропилен не часто используется в застекленных солнечных коллекторах с избирательным покрытием. Все чаще используются полимеры, такие как высокотемпературные силиконы (которые плавятся при температуре более 250 ° C (482 ° F)). Некоторые глазурованные солнечные коллекторы на основе неполипропиленового полимера имеют матовое черное покрытие, а не избирательное покрытие, позволяющее снизить температуру застоя до 150 ° C (302 ° F) или меньше.

В районах, где возможно замораживание, морозоустойчивость (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 к повреждениям в результате замерзания, поэтому, если они заполнены водой, их необходимо тщательно проложить, чтобы они полностью стекали под действием силы тяжести до того, как ожидается замерзание, чтобы они не трескаться. Многие металлические коллекторы устанавливаются в составе герметичной системы теплообменника. Вместо того, чтобы питьевая вода текла непосредственно через коллекторы, используется смесь воды и антифриза, например пропиленгликоля. Теплообменник защищает от повреждений при замерзании вплоть до температуры, определяемой на месте и зависящей от доли пропиленгликоля в смеси. Использование гликоля незначительно снижает теплоемкость воды, а добавление дополнительного теплообменника может снизить производительность системы при низком уровне освещенности.

Бассейный или неглазурованный коллектор представляет собой простую форму плоского коллектора без прозрачной крышки. полипропилен, каучук EPDM Обычно в качестве поглотителя используется 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). Когда температура окружающей среды становится ниже, эти коллекторы становятся менее эффективными.

Коллекционеры чаш

Солнечная чаша — это тип солнечного теплового коллектора, который работает аналогично параболической тарелке , но вместо использования следящего параболического зеркала с фиксированным приемником он имеет фиксированное сферическое зеркало с следящим приемником. Это снижает эффективность, но удешевляет строительство и эксплуатацию. Дизайнеры называют это солнечной энергосистемой с фиксированным зеркалом и распределенной фокусировкой . Основная причина его разработки заключалась в том, чтобы исключить затраты на перемещение большого зеркала для отслеживания солнца, как в случае с параболическими зеркальными системами.

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

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

По мере движения Солнца по небу апертура любого фиксированного коллектора меняется. Это вызывает изменения в количестве улавливаемого солнечного света, создавая 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, сконцентрированный в фокальной линии сферического отражателя, собирается с помощью следящего приемника. Этот приемник поворачивается вокруг фокальной линии и обычно имеет противовес. Приемник может состоять из труб, несущих жидкость для теплопередачи, или фотоэлектрических элементов для прямого преобразования света в электричество.

Конструкция солнечной чаши стала результатом проекта факультета электротехники Техасского технического университета, возглавляемого Эдвином О'Хэйром, по разработке электростанции мощностью 5 МВт. для города Кросбитон, штат Техас . Солнечная чаша была построена в качестве пилотного объекта Чаша имела диаметр 65 футов (20 м) и была наклонена под углом 15° для оптимизации соотношения затрат и выхода (33° обеспечили бы максимальный выход). Край полусферы был «обрезан» до 60°, в результате чего максимальная апертура составила 3318 квадратных футов (308,3 м2). ² ). Эта пилотная чаша производила электроэнергию с пиковой мощностью 10 кВт.

Солнечная чаша Ауровиля диаметром 15 метров (49 футов) была разработана на основе более ранних испытаний чаши диаметром 3,5 метра (11 футов), проведенных в 1979–1982 годах Институтом энергетических исследований Тата . Этот тест показал использование солнечной чаши для производства пара для приготовления пищи. Полномасштабный проект по строительству солнечной чаши и кухни осуществлялся с 1996 года и был полностью введен в эксплуатацию к 2001 году.

В местах со средней доступной солнечной энергией размеры плоских пластинчатых коллекторов составляют примерно от 1,2 до 2,4 квадратных дециметра на литр дневного потребления горячей воды.

Приложения

Эта технология в основном 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, когда потребность в горячей воде чрезмерна из-за частой стирки белья. Коммерческое применение включает прачечные самообслуживания, автомойки, военные прачечные и предприятия общественного питания. Эту технологию также можно использовать для отопления помещений, если здание находится вне сети или если электроснабжение подвержено частым отключениям. Солнечные системы нагрева воды, скорее всего, будут экономически эффективны для объектов с дорогостоящими в эксплуатации системами нагрева воды или для таких предприятий, как прачечные или кухни, требующие большого количества горячей воды. Неглазурованные коллекторы жидкости обычно используются для нагрева воды в плавательных бассейнах, но также могут применяться для предварительного нагрева воды в больших объемах. Когда нагрузки велики по сравнению с доступной площадью коллектора, основная часть нагрева воды может осуществляться при низкой температуре, ниже температуры бассейна, где неглазурованные коллекторы хорошо зарекомендовали себя на рынке как правильный выбор. Поскольку этим коллекторам не требуется выдерживать высокие температуры, в них можно использовать менее дорогие материалы, такие как пластик или резина. Многие неглазурованные коллекторы изготовлены из полипропилена, и их необходимо полностью осушать, чтобы избежать повреждения от замерзания, когда температура воздуха падает ниже 44 °F (7 °C) в ясные ночи. Меньший, но растущий процент неглазурованных коллекторов является гибким, что означает, что они могут противостоять замерзанию воды внутри абсорбера. Проблема замерзания должна вызывать только заполненные водой трубопроводы и коллекторные коллекторы в условиях сильного замерзания. Неглазурованные солнечные системы горячего водоснабжения следует устанавливать с возможностью «обратного слива» в накопительный бак, когда солнечной радиации недостаточно. При использовании неглазурованных систем не возникает проблем с термическим ударом. Неглазурованные солнечные коллекторы, широко используемые для обогрева бассейнов с самого начала развития солнечной энергии, нагревают воду в бассейне напрямую, без необходимости использования антифриза или теплообменников. Солнечные системы с горячей водой требуют теплообменников из-за возможности загрязнения, а в случае неглазурованных коллекторов - из-за разницы давлений между рабочей жидкостью солнечной системы (водой) и нагрузкой (холодной городской водой под давлением). Крупномасштабные неглазурованные солнечные водонагреватели, такие как тот, что находится в водном центре Минору в Ричмонде, Британская Колумбия, работают при более низких температурах, чем системы с вакуумными трубками или коробчатые и застекленные коллекторные системы. Хотя для них требуются более крупные и дорогие теплообменники, все остальные компоненты, включая вентилируемые резервуары для хранения и неизолированные пластиковые трубы из ПВХ, значительно снижают затраты на эту альтернативу по сравнению с типами коллекторов с более высокой температурой. При нагревании горячей воды мы фактически нагреваем холодную воду до теплой и теплую до горячей. С помощью неглазурованных коллекторов мы можем нагревать холодное и теплое так же эффективно, как и нагревать теплое и горячее с помощью высокотемпературных коллекторов.

Нагрев воздуха

Простой солнечный воздушный коллектор состоит из поглотительного материала, иногда имеющего селективную поверхность, который улавливает солнечное излучение и передает эту тепловую энергию воздуху посредством теплопроводности. Затем этот нагретый воздух подается в помещение здания или в технологическую зону , где нагретый воздух используется для обогрева помещений или технологического отопления. Функционируя аналогично обычной печи с принудительной подачей воздуха, солнечно-термовоздушные системы обеспечивают тепло, циркулируя воздух над поверхностью сбора энергии, поглощая солнечную тепловую энергию и направляя воздух, вступающий в контакт 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, чтобы уменьшить выбросы углекислого газа от использования традиционных источников тепла, таких как ископаемое топливо, и создать устойчивые средства производства тепловой энергии. Такие приложения, как отопление помещений, продление тепличного сезона , предварительный нагрев подпиточного воздуха для вентиляции или технологическое тепло, могут быть решены с помощью солнечных устройств для нагрева воздуха. В области « солнечной когенерации » солнечные тепловые технологии сочетаются с фотоэлектрическими (PV) для повышения эффективности системы за счет отвода тепла от фотоэлектрических коллекторов, охлаждения фотоэлектрических панелей для улучшения их электрических характеристик и одновременного нагрева воздуха. для отопления помещений.

Отопление и вентиляция помещений

Обогрев помещений жилых и коммерческих помещений может осуществляться с помощью солнечных панелей для нагрева воздуха. Эта конфигурация работает путем забора воздуха из ограждающих конструкций здания или из внешней среды и пропускания его через коллектор, где воздух нагревается за счет проводимости от абсорбера, а затем подается в жилое или рабочее пространство либо пассивным способом, либо с помощью вентилятор. Первооткрывателем системы этого типа был Джордж Лёф, который в 1945 году построил воздушную систему с солнечным подогревом для дома в Боулдере, штат Колорадо. Позже он добавил гравийную подушку для хранения тепла.

Вентиляция, приток свежего или подпиточного воздуха требуется в большинстве коммерческих, промышленных и институциональных зданий для соответствия требованиям норм. Затягивая воздух через правильно сконструированный незастекленный коллектор выпаренного воздуха или воздухонагреватель, свежий воздух, нагретый солнечной энергией, может снизить тепловую нагрузку в дневное время. В настоящее время устанавливается множество систем, в которых испарительный коллектор предварительно нагревает свежий воздух, поступающий в вентилятор с рекуперацией тепла, чтобы сократить время размораживания HRV. Чем выше ваша вентиляция и температура, тем быстрее будет срок окупаемости.

Технологический нагрев

Солнечное тепло воздуха также используется в технологических процессах, таких как сушка белья, сельскохозяйственных культур ( например , чая, кукурузы, кофе) и в других целях сушки. Воздух, нагретый через солнечный коллектор, а затем пропускаемый над высушиваемой средой, может стать эффективным средством снижения содержания влаги в материале.

Высокотемпературное технологическое тепло может быть получено с помощью солнечной печи .

Типы коллекторов солнечного нагрева воздуха

Коллекторы обычно классифицируются по методам воздуховода как один из трех типов:

• проходные коллекторы
• передний проход
• обратный проход
• Комбинированные коллекторы с передним и задним проходом

Коллекторы также можно классифицировать по внешней поверхности:

• застекленный
• неглазурованный

Проходной воздухосборник

Проходная конфигурация обеспечивает высочайшую эффективность среди всех солнечных технологий: воздух, подаваемый на одну сторону 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 высокую скорость кондуктивной теплопередачи, но значительный перепад давления может потребовать большей мощности вентилятора, а износ определенного материала поглотителя после многих лет воздействия солнечной радиации может дополнительно создать проблемы с качеством воздуха и производительностью. .

Задний, передний и комбинированный воздухозаборник

В конфигурациях с обратным, передним и комбинированным типом воздух направляется либо на заднюю, либо на переднюю, либо на обе стороны абсорбера для нагревания от возврата к коллекторам приточных воздуховодов. Хотя прохождение воздуха по обеим сторонам поглотителя обеспечит большую площадь поверхности для кондуктивной теплопередачи, проблемы с пылью (засорением) могут возникнуть из-за прохождения воздуха по передней стороне поглотителя, что снижает эффективность поглотителя за счет 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

Застекленные системы обычно имеют прозрачный верхний лист и изолированные боковые и задние панели, чтобы минимизировать потери тепла в окружающий воздух. Поглощающие пластины в современных панелях могут иметь поглощающую способность более 93%. Застекленные солнечные коллекторы (рециркуляционные типы, которые обычно используются для отопления помещений). Воздух обычно проходит вдоль передней или задней части пластины абсорбера, отводя тепло непосредственно от нее. Нагретый воздух затем можно распределять непосредственно для таких применений, как отопление и сушка помещений, или хранить для последующего использования. Окупаемость застекленных солнечных панелей воздушного отопления может составить менее 9–15 лет в зависимости от заменяемого топлива.

Неглазурованные системы

Неглазурованные системы или системы транспирированного воздуха использовались для нагрева подпиточного или вентиляционного воздуха в коммерческих, промышленных, сельскохозяйственных и технологических приложениях. Они состоят из поглотительной пластины, через которую проходит воздух, отводя тепло от поглотителя. Непрозрачные материалы для остекления дешевле и сокращают ожидаемые сроки окупаемости. Транспирированные коллекторы считаются «неглазурованными», поскольку их поверхности коллекторов подвергаются воздействию элементов, часто не прозрачны и не герметично закрыты.

Неглазурованные транспирированные солнечные коллекторы

Фон

Термин «неглазурованный воздухосборник» относится к системе солнечного воздушного отопления, которая состоит из металлического поглотителя без стекла или остекления сверху. Наиболее распространенным типом неглазурованного коллектора на рынке является транспирированный солнечный коллектор. Эта технология тщательно контролируется этими правительственными учреждениями, а Natural Resources Canada разработала инструмент технико-экономического обоснования RETScreen™ для моделирования экономии энергии за счет использования транспирируемых солнечных коллекторов. С тех пор несколько тысяч транспирированных солнечных коллекторных систем были установлены в различных коммерческих, промышленных, институциональных, сельскохозяйственных и технологических приложениях в странах по всему миру. Первоначально эта технология использовалась в основном в промышленных целях, таких как производственные и сборочные предприятия, где предъявлялись высокие требования к вентиляции, послойное нагрев потолка и часто отрицательное давление в здании. С ростом стремления к установке систем возобновляемой энергии в зданиях транспирированные солнечные коллекторы теперь используются во всем фонде зданий 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 системами и солнечным нагревом воды.

Солнечное воздушное отопление – это гелиотермическая технология, при которой энергия Солнца, солнечная инсоляция, улавливается поглощающей средой и используется для нагрева воздуха.

Солнечное воздушное отопление — это технология отопления с использованием возобновляемых источников энергии, используемая для нагрева или кондиционирования воздуха в зданиях или для технологических процессов отопления. Как правило, это наиболее экономически эффективная из всех солнечных технологий, особенно в крупномасштабных приложениях, и она обеспечивает наибольшее использование энергии зданий в отопительных климатических условиях, а именно отопление помещений и отопление промышленных процессов. Они бывают глазурованными или неглазурованными.

Метод работы

Неостекленные воздухосборники нагревают окружающий (наружный) воздух вместо рециркуляционного воздуха в здании. Транспирированные солнечные коллекторы обычно монтируются на стене, чтобы улавливать нижний угол солнечного света в зимние месяцы отопления, а также отражать солнце от снега и достигать оптимальной производительности и окупаемости инвестиций при работе со скоростью потока от 4 до 8 кубических футов в минуту на квадратный фут. (от 72 до 144 м3/ч.м2) площади коллектора.

Внешняя поверхность солнечного коллектора состоит из тысяч крошечных микроперфораций, которые позволяют пограничному слою захватывать тепло и равномерно втягивать его в воздушную полость за внешними панелями. Этот нагретый вентиляционный воздух втягивается под отрицательным давлением в систему вентиляции здания, где затем распределяется обычными способами или с помощью системы солнечных воздуховодов.

Горячий воздух, который может попасть в систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, подключенную к испарительному коллектору, воздуховыпускные отверстия которого расположены вдоль верхней части коллектора, особенно если коллектор обращен на запад. Чтобы решить эту проблему, компания Matrix Energy запатентовала испарительный коллектор с нижним расположением выхода воздуха и обрамлением перфорированной полости для создания повышенной турбулентности воздуха за перфорированным поглотителем для повышения производительности.

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

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

Вариации транспарированных солнечных коллекторов

Неостекленные коллекторы испарений также можно монтировать на крыше в случаях, когда нет подходящей стены, выходящей на юг, или по другим архитектурным соображениям. Компания Matrix Energy Inc. запатентовала монтируемый на крыше продукт под названием «Дельта» — модульную солнечную систему воздушного отопления, монтируемую на крыше, где фасады, выходящие на юг, восток или запад, просто недоступны.

Каждый модуль длиной десять футов (3,05 м) будет подавать 250 кубических футов в минуту (425 м3/ч) предварительно нагретого свежего воздуха, что обычно обеспечивает годовую экономию энергии в размере 1100 кВтч (4 ГДж) в год. Этот уникальный двухступенчатый модульный коллектор, установленный на крыше, работает с эффективностью почти 90%, каждый модуль подает более 118 л/с предварительно нагретого воздуха на коллектор площадью два квадратных метра. До семи коллекторов можно соединить последовательно в один ряд, без ограничений на количество рядов, соединенных параллельно вдоль одного центрального воздуховода, что обычно дает 4 кубических фута в минуту предварительно нагретого воздуха на квадратный фут доступной площади крыши.

Транспирированные коллекторы могут быть настроены на двойной подогрев воздуха для повышения температуры подаваемого воздуха, что делает его пригодным для обогрева помещений, а также для подогрева вентиляционного воздуха. В двухступенчатой ​​системе первая ступень представляет собой типичный неглазурованный коллектор испарения, а вторая ступень имеет остекление, закрывающее коллектор испарения. Остекление позволяет направить весь нагретый воздух из первой ступени через второй набор испарительных коллекторов для второй ступени солнечного отопления.

Производство электроэнергии

Параболические желоба , тарелки и башни, описанные в этом разделе, используются почти исключительно на солнечных электростанциях или в исследовательских целях. Параболические желоба использовались в некоторых коммерческих солнечных системах кондиционирования воздуха. Несмотря на свою простоту, эти солнечные концентраторы довольно далеки от теоретической максимальной концентрации. Например, параболическая минимальная концентрация составляет около 1/3 теоретического максимума для того же угла принятия , то есть для тех же общих допусков для системы. Приближения к теоретическому максимуму можно достичь, используя более совершенные концентраторы на основе невизуальной оптики . Солнечные тепловые коллекторы также могут использоваться в сочетании с фотоэлектрическими коллекторами для получения комбинированного тепла и электроэнергии.

Параболический желоб

Параболический желоб

Основная статья: Параболический желоб

Этот тип коллектора обычно используется на солнечных электростанциях. желобообразной формы Параболический отражатель используется для концентрации солнечного света на изолированной трубке ( трубка Дьюара ) или тепловой трубке , расположенной в фокусе , содержащей охлаждающую жидкость , которая передает тепло от коллекторов к котлам на электростанции.

Параболическая тарелка

Основная статья: Диш Стирлинг

Солнечная параболическая тарелка

При использовании параболического тарельчатого коллектора одна или несколько параболических тарелок концентрируют солнечную энергию в одной фокусной точке, подобно тому, как телескоп-рефлектор фокусирует звездный свет или зеркальная антенна фокусирует радиоволны. Эта геометрия может использоваться в солнечных печах и солнечных электростанциях.

Форма параболы означает, что падающие лучи света, параллельные оси тарелки, будут отражаться в направлении фокуса, независимо от того, в какую часть тарелки они попадут. Свет от Солнца падает на поверхность Земли почти полностью параллельно, а тарелка выравнивается по своей оси, направленной на Солнце, что позволяет почти всему входящему излучению отражаться в сторону фокуса тарелки. Большинство потерь в таких коллекторах связано с несовершенством 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 Стирлинга с тарелкой конструкциях электростанций двигатель Стирлинга, в ​​центре тарелки размещается соединенный с динамо-машиной. Он поглощает сосредоточенную на нем энергию и преобразует ее в электричество.

Энергетическая башня

Основная статья: Солнечная энергетическая башня

Солнечная энергетическая башня

Энергетическая башня — это большая башня, окруженная следящими зеркалами, называемыми гелиостатами . Эти зеркала выравниваются и фокусируют солнечный свет на приемнике наверху башни, собранное тепло передается на электростанцию ​​внизу. Эта конструкция достигает очень высоких температур. Высокие температуры подходят для производства электроэнергии с использованием традиционных методов, таких как паровая турбина , или прямой высокотемпературной химической реакции, такой как жидкая соль. Концентрируя солнечный свет, современные системы могут добиться большей эффективности, чем простые солнечные элементы. Большую площадь можно покрыть, используя относительно недорогие зеркала, а не дорогие солнечные батареи . Сконцентрированный свет можно перенаправить в подходящее место с помощью оптоволоконного кабеля , например, для освещения зданий. Хранение тепла для производства электроэнергии в пасмурную и ночную погоду может быть достигнуто, часто путем хранения подземных резервуаров с нагретыми жидкостями. Расплавленные соли были использованы с хорошим эффектом. Другие рабочие жидкости, такие как жидкие металлы, также были предложены из-за их превосходных термических свойств.

Однако концентрирующие системы требуют отслеживания солнечного света , чтобы поддерживать фокус солнечного света на коллекторе. Они не способны обеспечить значительную мощность в условиях рассеянного освещения . Солнечные элементы способны обеспечить 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.

Общие принципы работы

Солнечный тепловой коллектор функционирует как теплообменник, преобразующий солнечное излучение в тепловую энергию. Он отличается от обычного теплообменника по нескольким аспектам. Поток солнечной энергии (излучения), падающий на поверхность Земли, имеет переменную и относительно низкую поверхностную плотность, обычно не превышающую 1100 Вт/м. ² без систем концентрации. Более того, длина волны падающего солнечного излучения составляет от 0,3 до 3 мкм, что значительно короче длины волны излучения, испускаемого большинством излучающих поверхностей.

Коллектор поглощает поступающую солнечную радиацию, преобразуя ее в тепловую энергию. Эта тепловая энергия затем передается теплоносителю, циркулирующему внутри коллектора. Жидким теплоносителем может быть воздух, вода, масло или смесь, включающая гликоль (незамерзающая жидкость), особенно в системах с принудительной циркуляцией. В системах концентрирования могут использоваться материалы с фазовым переходом, такие как расплавленные соли. Тепловая энергия теплоносителя может затем использоваться напрямую или сохраняться для последующего использования. Передача тепловой энергии происходит посредством конвекции, которая может быть как естественной, так и принудительной в зависимости от конкретной системы.

Стандарты

• Методы испытаний ISO для солнечных коллекторов.
• EN 12975 : Солнечные тепловые системы и компоненты. Солнечные коллекторы.
• EN 12976 : Солнечные тепловые системы и компоненты. Системы заводского изготовления.
• EN 12977 : Солнечные тепловые системы и компоненты. Системы по индивидуальному заказу.
• Солнечная метка: Тепловые солнечные системы и компоненты. Сертификация более высокого уровня серии EN 1297X, включающая посещение фабрик.
• Совет Международного кодекса / Корпорация Solar Rating & Certification Corporation: Тестирование проводится независимыми лабораториями и обычно включает выбор коллектора для тестирования из группы образцов, состоящей как минимум из шести солнечных коллекторов.
• ICC 901/ICC-SRCC™ 100: Стандарт солнечного теплового коллектора
• ICC 900/ICC-SRCC™ 300: Стандарт солнечной тепловой системы
• ICC 902/APSP 902/ICC-SRCC™ 400: Стандарт солнечной системы отопления для бассейнов и спа-центров

См. также

• Концентрированная солнечная энергия
• Сшитый полиэтилен § PEX-AL-PEX
• Изолированное остекление
• Список солнечных тепловых электростанций
• Список теплопроводностей
• Наножидкости в солнечных коллекторах
• Приемник частиц
• Сезонное хранение тепловой энергии (СТЭС)
• Селективная поверхность
• Солнечная плита
• Солнечная Цветочная Башня
• Солнечная тепловая энергия
• Солнечный тепловой насос
• Стена тромба
• Цеолит

Внешние ссылки

• Рейтинги солнечных коллекторов канадского правительства
• Кросбитонский реестр записей
• Осуществимость фотоэлектрических элементов на солнечной чаше с фиксированным зеркалом и распределенным фокусом