Анализ эффективности конструктивных элементов солнечных коллекторов

УДК 620.92:316.422

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СОЛНЕЧНЫХ

КОЛЛЕКТОРОВ

© 2011 г. Р.А. Амерханов, В.В. Бутузов

Кубанский государственный аграрный Kuban State Agrarian

университет University

Рассмотрены внутренние и внешние факторы, определяющие значение коэффициента полезного действия солнечных коллекторов. Произведен сравнительный анализ отечественных и зарубежных стандартов, используемых при производстве коллекторов. Представлен анализ исследований процессов теплообмена.

Ключевые слова: солнечный коллектор; конструкция; теплопоглощающее покрытие; прозрачная изоляция; коэффициент полезного действия.

Internal and external factors determining the significance of an efficiency index of solar collectors were considered. The comparative analysis of native and foreign standards used under production of collectors was made. The analysis of research of heat exchange processes was presented.

Keywords: solar collector; construction; heat-absorbing cover; transparent isolation; efficiency index.

В системах солнечного горячего водоснабжения получили применение, в основном, плоские жидкостные коллекторы. Такой коллектор состоит из прозрачной изоляции, поглощающей панели, теплоизолированного корпуса. Поток солнечного излучения проходит через прозрачную изоляцию и поглощается панелью. При этом часть излучения отражается от поверхности прозрачной изоляции, часть поглощается материалом изоляции и затем передается окружающему воздуху. Указанные потери оцениваются в 45 %. Полезная теплота, отводимая от теплопоглощающей панели, составляет около 50 %, потери тепла через теплоизоляцию в окружающую среду 5 % [1].

Всесоюзным государственным институтом патентной экспертизы выполнен ретроспективный анализ зарубежного опыта шести ведущих в области гелиотехники стран за период 1975—1986 гг. [2, 3]. В этих странах, в основном, завершено создание оптимизированных конструкций солнечных коллекторов. Наиболее интенсивно развивались разработки конструкций и покрытий теплопог-лощающих панелей, реализации движения теплоносителя. Для прозрачной изоляции наиболее активно совершенствовалась ее форма и вид селективного покрытия.

При анализе зарубежного опыта был применен метод экспертных оценок ведущих специалистов СССР. В результате исследований в каче-

стве приоритетного направления определено совершенствование теплопоглощающих покрытий.

По Н. В. Харченко [4] в идеальном солнечном коллекторе отсутствуют оптические потери, минимальны потери тепла, поглощающая способность его панели в коротковолновом диапазоне солнечного излучения равна единице, степень черноты в инфракрасной части спектра равна нулю, а пропускающая способность прозрачной изоляции — единице. Высокоэффективный солнечный коллектор должен иметь: высокий оптический КПД; максимально возможное отношение поглощающей способности в коротковолновом диапазоне к его излучательной способности в длинноволновом диапазоне; высокий коэффициент теплопроводности материала панели и низкую величину общего коэффициента тепловых потерь. Повышение эффективности солнечного коллектора может быть обеспечено применением селективных покрытий, использованием ячеистых структур, вакуумированием пространства между поглощающей панелью и прозрачной изоляцией, а также применением эффективной тепловой изоляции. Выбор оптимальных теплотехнических характеристик солнечного коллектора должен быть экономически обоснован, поскольку повышение КПД за счет указанных усовершенствований может привести к значительному удорожанию солнечного коллектора и сделать нецелесообразным его

использование. Для повышения эффективности плоских солнечных коллекторов необходимо принимать меры для снижения интенсивности теплообмена в газовом пространстве коллектора и интенсивности потерь тепла излучением.

Внутренние и внешние факторы, определяющие значение КПД солнечных коллекторов, представлены в работе [4]:

1) метеорологические параметры — интенсивность солнечной радиации, температура наружного воздуха, скорость ветра;

2) конструктивные характеристики — шаг и диаметр каналов для теплоносителя, расстояние между абсорбером и остеклением, расстояние между слоями остекления, толщина стекла, термическое сопротивление тепловой изоляции, толщина и коэффициент теплопроводности лучепог-лощающего листа, коэффициент теплопроводности прозрачной изоляции;

3) рабочие характеристики — удельный расход теплоносителя, температура теплоносителя на входе в солнечный коллектор, давление (разрежение) в пространстве между абсорбером и остеклением.

Из всех перечисленных параметров наиболее существенное влияние на величину КПД оказывает интенсивность солнечной радиации, температура наружного воздуха и теплоносителя на входе в коллектор, материал абсорбера, шаг труб, наличие вакуума в солнечном коллекторе. Значительное влияние на теплопроизводитель-ность солнечного коллектора оказывает также число слоев остекления, селективность лучепог-лощающей поверхности и коэффициент потерь тепла через нижнюю поверхность коллектора.

Одной из первых в СССР работ по методам расчета солнечных коллекторов была статья Б. В. Петухова [5]. Достаточно полный анализ исследований и разработки плоских солнечных коллекторов выполнен А. Д. Ушаковой [6]. Анализ параметров солнечного коллектора и их влияния на экономическую целесообразность гелиоустановок представлен в работе института «ВНИПИэнергопром» [7].

Анализ двухсот конструкций солнечных коллекторов, производимых фирмами Германии, выполнен в работах [8, 9]. При этом большинство рассмотренных коллекторов предназначено для горячего водоснабжения и выполнены с плоскими панелями.

Прозрачная изоляция солнечного коллектора — покрытие или система покрытий, расположенных над поглощающей панелью, прозрачных относительно солнечной энергии, предназначенных для снижения тепловых потерь в окружающую среду.

Стандарт России [10] устанавливает для прозрачной изоляции солнечного коллектора следующие

основные понятия: коэффициент тепловых потерь через прозрачную изоляцию; полный коэффициент тепловых потерь. Данным стандартом регламентированы следующие технические требования к прозрачной изоляции: число слоев не ограничивается, допускается выпуск солнечных коллекторов без прозрачной изоляции; конструкция должна предусматривать возможность ее замены; срок службы прозрачной изоляции не регламентирован; прозрачная изоляция должна быть выполнена из стекла или полимерных материалов, устойчивых к атмосферным и эксплуатационным воздействиям.

Материалы для прозрачной изоляции, используемые в качестве единственного наружного слоя или при двухслойном прозрачном покрытии должны сохранять свои свойства при температуре от —45 до +100 °С, а для внутреннего слоя прозрачной изоляции — от —45 до +150 °С.

Стандартом СССР [11], кроме перечисленных требований, дополнительно регламентировались значения произведения общего коэффициента тепловых потерь коллектора и коэффициента эффективности поглощающей панели при нулевой скорости ветра, Вт/(м2-°С), не более:

— для коллектора с одним слоем прозрачной изоляции и черным поглощающим покрытием — 5,8;

— одним слоем прозрачной изоляции и селективным поглощающим покрытием — 3,9;

— с двойным слоем прозрачной изоляции и черным поглощающим покрытием — 4,3.

Данным стандартом также регламентировалась минимальная пропускательная способность одного слоя прозрачной изоляции при падении солнечных лучей по нормали к поверхности — 0,85.

Стандарты ведущих в производстве солнечных коллекторов зарубежных стран содержат дополнительные требования к прозрачной изоляции. Так, стандарт Израиля [12] предписывает обеспечить соответствие материалов прозрачной изоляции национальным нормам. Толщина стекла при соотношении сторон коллектора 1—1,5 должна приниматься не менее 2,3 мм, при соотношении сторон свыше 1,5 — не менее 3,3 мм.

Н. В. Харченко сформулировал следующие требования к материалам прозрачной изоляции [13]:

— высокая пропускающая и низкая отражающая способности для коротковолновой части спектра;

— высокая отражающая способность для инфракрасного излучения;

— достаточная механическая прочность;

— физико-химическая стабильность под действием ультрафиолетового излучения.

Под руководством Б. В. Тарнижевского выполнена оценка свойств материалов прозрачного покрытия: стекла (оконного, упрочненного, органического), поликарбоната, пленки (полиэтиленовой, фтор-

содержащей) [14]. Исследованы следующие параметры: коэффициент пропускания; стойкость к высокой температуре, абразивному износу и радиационному старению; ударопрочность; конструктивная прочность; малая плотность и малая загрязняемость; хорошая очищаемость; срок службы, расход и стоимость материала на 1 м2 коллектора. Установлено, что наиболее полно удовлетворяют вышеперечисленным требованиям упрочненное стекло и поликарбонат. В ценах 1984 г. такое стекло в 4 раза, а поликарбонат в 27 раз дороже оконного стекла.

Аналитические методы описания процессов теплообмена при прохождении потока солнечного излучения через прозрачную изоляцию различаются используемой моделью. В основе одной из них лежат характеристики материалов изоляции, другой — потоки энергии. Согласно первой модели оптимальный КПД солнечного коллектора определяется соотношением количества солнечной энергии, поглощенной панелью и падающей на поверхность прозрачной изоляции коллектора. Такой подход характерен для исследований Московского инженерно-строительного института [15]. При определении коэффициента светопропуска-ния прозрачного ограждения предложено учитывать затенение переплетами корпуса и пылью [16].

Согласно второй модели, оптический КПД солнечного коллектора определяется

#ТПС - Кр-о (р - tо ) ,

где tр, ^ — температура теплопоглощающей панели и окружающего воздуха; Е — суммарная солнечная радиация в плоскости солнечного коллектора; #ШС— количество тепловой энергии, теряемой при прохождении солнечного излучения через прозрачную изоляцию; Кр о— коэффициент теплопередачи от теплопоглощающей панели к окружающему воздуху.

В работе Ю. Л. Мышко и др. приведены результаты оптимизации толщины воздушного зазора между прозрачным ограждением, теплопог-лощающей панелью и теплоизоляцией, установлена их взаимозависимость. При этом наименьшая толщина воздушного зазора 29 мм имеет место при использовании качественной теплоизоляции с X = 0,05 Вт/(м2-К) и неселективном покрытии (общая толщина коллектора 100 мм), а при использовании более качественной теплоизоляции — X = 0,03 Вт/(м2-К) наименьшая толщина воздушного зазора увеличивается до 35 мм при той же общей толщине коллектора. Расчеты показали, что температура наружного воздуха и теп-лопоглощающей панели практически не влияют на значение оптимальной величины воздушного

зазора. Для качественных коллекторов, соответствующих мировому уровню, при общей толщине коллектора 100—120 мм оптимальное значение воздушного зазора составляет 45—60 мм.

На основе второй модели А. Д. Ушаковой и др. [17] приводятся результаты сравнения эффективности использования в солнечных коллекторах одно- и двухслойного обычного стекла, селективных стекол, нанесения селективного покрытия на поверхность теплопоглощающей панели, вакуумированной изоляции. Анализ результатов решения системы дифференциальных уравнений позволил сделать авторам следующие выводы:

— в летнее время целесообразно использовать для нагрева воды до 50—60 °С плоские солнечные коллекторы с одним стеклом. В случае применения коллекторов с двумя стеклами дополнительные потери солнечной энергии во втором слое стекла больше, чем потери тепла в окружающую среду;

— использование селективных покрытий или вакуумной изоляции в солнечных коллекторах при невысоких температурах теплоносителя не улучшает их экономические показатели, а тепловые потери от теплопоглощающей панели снижаются всего на 10 %;

— применение в солнечных коллекторах двух и более конструктивных элементов с селективным покрытием (оба стекла с селективным покрытием, одно стекло и теплопоглощающая панель) не приводят к существенному повышению эффективности, при этом стоимостные показатели снижаются.

О. С. Попелем [18] указывается, что дополнительное остекление не приводит к существенному повышению теплопроизводительности коллекторов, оно сопряжено со значительным увеличением их стоимости. Э. В. Сарнацкий и С. А. Чистович взамен стекла рекомендуют применять полиметилметакрилат, превосходящий стекло по спектральным характеристикам [19]. Методика расчетов Дальневосточного НИИ по строительству [20] предусматривает использование обеих расчетных моделей. В работе НИИ санитарной техники и оборудования зданий и сооружений (Киев) [21] приведены результаты исследований тепловых потерь прозрачного покрытия солнечного коллектора. Авторами оспаривается утверждение в работах [22, 23] о несущественности этих потерь. Эффект влияния дополнительного слоя прозрачной изоляции возрастает при уменьшении температуры поверхности теплопоглощающей панели.

Таким образом, следует отметить, что при достаточно полном исследовании процессов теплообмена в прозрачном ограждении отсутствуют критерии оценки его стоимости.

Литература

1. Амерханов P.A., Бутузов В.А., Гаръкавый К.А. Вопросы теории и инновационны« решений при использовании гелиоэнергетических систем: монография. М., 2009. 504 с.

2. Состояние и перспективы развития техники и технологии в области радиотехники, технической физики, приборостроения и энергетики. Состояние и перспективы развития коллекторов солнечной энергии: отчёт о НИР (заключ.) / Всесоюз. науч.-иссл. ин-т. гос. патент. экспер. 1В. 517; № ГР 01880038047. М., 1989. 75 с.

3. Смирнова А. Н. Плоские солнечные коллекторы (Анализ патентного фонда) // Гелиотехника. 1990. № 6. С. 1417.

4. Харченко Н. В. Системный подход к разработке гелиотеплонасосных систем теплоснабжения. Киев, 1987. 158 с. Рук. деп. в «Информэнерго» 01.03.88, № 2639ЭН.

5. Петухов Б. В. Методы расчёта солнечных водонагревателей // Использование солнечной энергии: сб. тр. АН СССР. 1957. № 1. С. 177-210.

6. Ушакова А. Д. Разработка, создание и исследование плоских солнечный коллекторов и систем теп-лохладоснабжения на их основе для включения в энергобаланс южный регионов страны : дис. ... д-ра техн. наук: 05. 14. 05. Ашхабад, 1988. 460 с.

7. Провести научно-исследовательские работы по обоснованию технических параметров и экономической целесообразности создания схем теплоснабжения на основе теплонасосной установки с использованием тепла морской воды и солнечной энергии: отчёт о НИР / Всесоюз. гос. науч.- иссл. и проек.-констр. инт. № ГР 01860040297. М., 1986. 83 с.

8. Remmers KarlHeinz. Thermischekollectoren // HLH: Heizung, Luftung . Klima: Haustechnik, 2001. № 3. S. 91-100.

9. Mayer JensPeter. Kleiner guckt in die Rühre // Sonne, Wind und W ä rme. 2001. № 8. S. 24-29.

10. ГОСТ Р 515952000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М., 2000. 6 с.

11. ГОСТ 2831089. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М., 1990. 16 с.

12. SI 579. 4.1. Стандарт Израиля. Солнечные водонагреватели: плоские коллекторы / Ин—т станд. Тель-Авив, 1990. 15 с.

13. Харченко Н. В. Системный подход к разработке гелиотеплонасосных систем теплоснабжения. Киев, 1987.

158 с. Рукописы деп. в «Информэнерго» 01.03.88, № 2639ЭН.

14. Абуев И.М., Тарнижевский Б.В. Выбор материалов для солнечный коллекторов // Гелиотехника. 1990. № 5. С. 12-17.

15. Исследоваты исполызование солнечной энергии для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения селыскохозяйственных зданий и хранения селы-хозпродуктов: отчёт о НИР / Моск. инж.-стр. ин-т; рук.

B. Н. Богословский. № ГР 018400614; инв. № 02850034743.

16. Разработка научный основ и исследование приёма, концентрации и преобразования солнечной энергии с выгсокоэффективныгх солнечных энергетических и тепловыгх установок. Исследования и разработка методов расчёта теплоснабжения жилых зданий, основанный на комбинированном исполызова-нии солнечной энергии и нетрадиционных источников энергии: отчёт о НИР (заключ.) / Физ.-хим. ин-т. им.

C. В. Стародубцева Акад. наук УзССР; рук. Г. А. Умаров. № ГР 81089265; инв. № 0286. 0034828. Ташкент. 112 с.

17. Создаты и освоиты опыггное производство солнечных коллекторов, аккумуляторов тепла и солнечный испарителынык кондиционеров для систем солнечного теплохладоснабжения. Этап И1а. Разработать новые типы солнечный коллекторов: отчёт о НИР (промежут.) / Науч. произв. объед. «Солнце» Акад. наук Туркм. ССР; рук. А. Д. Ушакова. № ГР 01860103724. Ашхабад, 1986. 95 с.

18. Попелъ О. С., Фрид С. Е. Солнечные водонагреватели. Возможности исполызования в климатических условиях средней полосы России // Теплоэнергетика. 2001. № 7. С. 44-47.

19. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / под ред. Э.В. Сарнацкого и СА Чистовича. М., 1990. 217 с.

20. Исследоваты теплопоступления солнечной радиации и разработаты рекомендации по выбору раци-оналыных типов гелиоустановок для целей горячего водоснабжения и отопления в Приморском крае: отчёт о НИР (заключит.) / Далыневост. НИИ по стро-ителыству; рук. В. П. Рудаков. № ГР 01. 83. 0041142; инв. № 0286. 0008090. Владивосток, 1985. 112 с.

21. Мойсеенко В.В., Смирнов С.В. Численное исследование тепловых потеры солнечного коллектора при поглощении излучения прозрачным покрытием // Гелиотехника. 1990. № 3. С. 79.

22. Даффи Дж., Бекман У. А. Тепловые процессы с исполызованием солнечной энергии. М., 1977. 420 с.

23. Авезов Р. Р., Орлов А. Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. Ташкент, 1988. 288 с.

Поступила в редакцию 15 ноября 2010 г.

Амерханов Роберт Александрович — д-р техн. наук, профессор, Кубанский государственный аграрный университет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: energyksau@mail.ru

Бутузов Виталий Витальевич — аспирант, Кубанский государственный аграрный университет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: butuzov@newmail.ru

Amerkhanov Robert Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, professor, Kuban State Agrarian University. Tel. (861) 221-58-54. E-mail: energyksau@mail.ru

Butuzov Vitaliy Vitalevich — post-graduate student, Kuban State Agrarian University. Tel. (861) 221-58-54. E-mail: butuzov@newmail.ru