Энергетические установки с воздушными солнечными коллекторами выглядят привлекательнее жидкостных: требуют меньше трубопроводов, деталей, менее дороги.
Содержание
- Преимущества воздушных солнечных коллекторов
- Основные конфигурации
- Абсорберы
- Утечка теплоносителя
- Основные проблемы
Преимущества воздушных солнечных коллекторов
Причиной сложностей энергетических установок с жидкостными солнечными коллекторами являются:
- проблемы возможного замерзания жидкости в солнечном коллекторе;
- необходимость учитывать расширение жидкости при её нагреве в системе, включая возможность мгновенного перехода жидкости в газообразное состояние;
- возможность протечки системы;
- коррозия металлических водопроводных труб.
Сравнительная простота воздушных солнечных установок притягательна для людей, желающих построить свою собственную систему, но, как со всеми системами сбора, хранения и использования солнечной энергии, их точный расчёт труден.
Все солнечные установки, за исключением простейших, должны проектироваться человеком, сведущим в вопросах механики и теплообмена.
Тем не менее воздушные солнечные коллекторы сравнительно легко содержать и ремонтировать. Вентиляторы, приводы демпферов и органы управления могут отказать, однако крупные узлы, в том числе солнечный коллектор, теплоаккумулятор и воздуховоды должны иметь длительный срок службы.
Основные конфигурации
Три основных конфигурации воздушных солнечных коллекторов:
- тип I, в котором воздуховод помещён между пластиковым покрытием и поверхностью абсорбера;
- тип II, в котором дополнительный воздуховод располагается позади пластины абсорбера;
- тип III, в котором отсутствует верхний воздуховод, а используется только воздуховод, расположенный за пластиной абсорбера.
Три конфигурации воздуховодов коллектора:
Воздушный коллектор типа II имеет более высокий КПД, чем другие два типа, когда содержащийся в нём воздух и наружный воздух имеют примерно одну и ту же температуру. Однако при увеличении разности между температурой коллектора и температурой наружного воздуха лучшие характеристики будет иметь устройство типа III.
Примерная схема воздушного коллектора, применённого в солнечном экспериментальном доме Института экономии энергии при университете шт. Делавэр.
Поперечный разрез плоского электротеплового коллектора для солнечного дома при университете шт. Делавэр:
Абсорберы
Изготовление воздушных солнечных коллекторов и связанных с ними узлов и систем сравнительно просто, если сопоставить со слесарно-водопроводными работами и попытками найти пластину абсорбера, пригодную для жидкостных солнечных установок.
За исключением конструкции д-ра Гарри Томасона, в которой вода стекает по волнистому металлическому листу, в большинстве конструкций абсорбера трубы крепятся к ним или составляют с ними единое целое, причём обращаться с этими узлами непросто даже для квалифицированных рабочих.
Легче содержать абсорбер в системе воздушного солнечного коллектора: они не соединены с водопроводной системой, которая должна быть герметичной; они не требуют строгого учёта расширения и сжатия; нет нужды изготавливать их с большой точностью.
По сути дела, для солнечных коллекторов воздушного типа абсорбер необязательно должен быть металлическим. Так как во многих типах солнечных коллекторов воздух соприкасается с поверхностью любого материала, нагреваемого солнцем, тепло необязательно должно передаваться от одного участка поверхности абсорбера к другому, как в случае жидкостных солнечных коллекторов.
Почти любая зачернённая поверхность, которая нагревается солнцем, будет передавать тепло воздуху, обтекающему её. Такой механизм теплообмена открывает множество вариантов выбора поглотителей.
Р. Блисс и М. Донован использовали чёрный четырёхслойный хлопчатобумажный экран для изготовления абсорберов, а д-р Дж. Лёф применил зачернённые стеклянные пластины в своём доме в Колорадо; стеклянные пластины (0, 45 м) на две трети перекрывают друг друга.
Каждая пластина состоит из двух частей: чёрной и прозрачной. Чёрное покрытие получают путём нанесения чёрного стеклошлака на обычное оконное стекло и выдерживания его в отжиговой печи.
Пластины закрываются сверху двумя слоями стекла. Четыре секции по 1,2 м располагаются в ряд с наклоном 60° от горизонтали.
Первоначально из-за неправильного способа закрепления кромок стекло растрескивалось при расширении и сжатии. Способ закрепления был изменён и стекло не разбивалось. Если кромки стекла не защищены, пластина будет трескаться и, в конечном счёте, раскалываться.
Воздушный солнечный коллектор Дж. Лёфа:
Разумеется, можно применять для абсорбера и металлические пластины. Понятно, что не только металл является долговечным и эффективным, но он предпочтительнее для тех случаев, когда солнечная радиация поступает не на всю поверхность абсорбера, соприкасающегося с движущимся воздухом.
Металл также способствует устранению «горячих мест», вызванных неравномерным потоком воздуха над поверхностью, распределяя избыточное скопление тепла на другие поверхности, а от них к воздуху.
В своих исследованиях Дж. Д. Клоуз определил относительные преимущества размещения воздуховодов по отношению к светонепроницаемым металлическим пластинам абсорберов.
Дж. Д. Клоуз также сделал вывод, что чем выше рабочая температура солнечного коллектора, тем большее значение приобретает коэффициент теплообмена между поверхностью абсорбера и воздухом.
В летний период, когда температура солнечного коллектора может быть лишь на 15–20°С выше температуры наружного воздуха, эффективность одного ровного металлического листа можно сравнить с эффективностью ребристой пластины или поверхности с V-образной волнистостью.
Однако в районах с прохладным и холодным климатом, где разность температур солнечного коллектора и внешней среды может достигать 55°С, ребристая пластина на 5% эффективнее плоской пластины, а пластина с V-образной волнистостью — на 10–15%.
Пластина абсорбера с V- образными волнами:
Задняя сторона пластины абсорбера должна быть окрашена в чёрный цвет, если её обтекает воздух. Поверхность, отделяющая задний воздуховод от изоляции, должна быть покрыта отражающей фольгой; однако, если применяется перфорированная пластина, отделяющая поверхность должна быть чёрной и служить в качестве еще одной поверхности теплообмена.
Ребристая пластина абсорбера
Уиллиер показал, что при замене обычной сплошной пластины абсорбера зачерненной проволочной или пластиковой сеткой, дающей возможность нижележащей поверхности воздуховода поглощать половину излучения, можно удвоить величину h (эффективный коэффициент теплопередачи между теплообменником и воздушным потоком), обеспечив увеличение отвода тепла на 10–15%.
Удовлетворительные значения h находятся в пределах 34–68 Вт/(м²*°K). Предпочтительнее более высокие значения h при условии, что затраты на подкачку воздуха не становятся слишком высокими.
Другие способы увеличения эффективной площади поверхности абсорбера, а, следовательно, и повышения коэффициента теплопередачи представлены на последующих рисунках.
Волнистая пластина абсорбера
Поскольку абсорбер можно изготовить из неметаллических материалов, вполне вероятно значительное снижение стоимости солнечных коллекторов, что стимулирует изготовителей исследовать эту альтернативу жидкостным солнечных установкам с целью производства изделия, более конкурентоспособного по стоимости.
К сожалению, с воздушными солнечными коллекторами проводилось сравнительно мало исследований. Это объясняется главным образом традиционной приверженностью к жидкостным системам.
Изготовители заваливаются информацией по жидкостным солнечным установкам и считают их наиболее легко осуществимыми. Из-за обилия такой информации дальнейшие исследования проводятся в основном с жидкостными системами, поэтому дисбаланс только углубляется.
Металлическая пластина абсорбера прямоугольного сечения
Независимо от того, изготовлены абсорберы из металла, или нет, важно, чтобы движение воздуха через промежуток над поверхностью теплообмена было турбулентным.
Обычно воздушный поток является ламинарным, то есть воздух, прилегающий к поверхности, сравнительно неподвижен, в то время как воздух над поверхностью движется спокойными ненарушенными слоями. Такой режим течения обеспечивает плохую теплопередачу: неподвижный воздух вблизи поверхности абсорбера нагревается, а движущийся над неподвижным слоем воздух не соприкасается с поверхностью теплообмена.
Устранить этот недостаток можно с помощью турбулентного потока, который рассматривается в двух масштабах. В макромасштабе турбулентный поток можно проиллюстрировать завихрениями дыма, вдуваемого в какой-либо объём; эти завихрения легко наблюдать визуально. В микромасштабе тот же эффект должен иметь место непосредственно у поверхности абсорбера.
Чтобы создать турбулентность в макромасштабе, абсорбер не должен быть плоским, а должен быть как можно более шероховатым, заставляя воздух двигаться во всех направлениях. Эту функцию хорошо выполняют ребристая пластина и V-образные волнистости.
Чтобы создать турбулентность в микромасштабе, поверхность также должна быть шероховатой с возможно большим количеством острых выступов.
Примерами таких грубых поверхностей могут служить:
- слой, подобный мелкому гравию;
- воздушные фильтры для печей;
- ткань;
- сетка;
- пластина с пробитыми отверстиями.
Возможная организация потока воздуха через охлаждаемые воздухом солнечные коллекторы:
Если к алюминиевому листу прикрепить тысячи миниатюрных волосков (или прямых шпилек, заделанных в его поверхность), эффективность теплопередачи ещё более увеличится благодаря большей площади поверхности и созданию микротурбулентности самими волосками.
Ещё больший эффект достигается, если алюминиевая пластина с волосками состоит из ряда отдельных секций, вызывающих макротурбулентность воздушного потока.
Металлическая пластина абсорбера с пробитыми отверстиями
При турбулентности возникает перепад давления в солнечном коллекторе. Сложная конфигурация поверхности и множество препятствий воздушному потоку требуют установки достаточно мощного вентилятора, а, следовательно, и большего расхода энергии для создания воздушного потока.
Необходимая для этого энергия может свести на нет экономию от использования солнечной энергии, особенно, если вентилятор работает на электричестве и, если учитывается количество топлива, сожжённое на электростанции для производства этой электроэнергии.
Р. Блисс и М. Донован решили эту проблему, продуванием воздуха через четыре слоя чёрной сетки.
Солнечный коллектор Р. Блисс и М. Донован с чёрной сеткой:
Для воздушных солнечных коллекторов факторы, влияющие на выбор краски для абсорбера, селективных поверхностей и покрытий, аналогичны уже рассмотренным выше жидкостным солнечным коллекторам.
Однако следует сделать несколько замечаний. Пожалуй, один из основных недостатков неметаллических поглотителей для воздушных солнечных коллекторов заключается в относительной трудности нанесения селективных покрытий. Пока не усовершенствуется технология нанесения таких покрытий, будут преобладать металлические абсорберы.
Клоуз продемонстрировал значение селективных покрытий для воздушных солнечных коллекторов. При прочих равных условиях для абсорбера с селективным покрытием эффективность его работы повышается от 50 до 65% при низких рабочих температурах и от 15 до 35% — при повышенных температурах.
Утечка теплоносителя
Важным соображением при конструировании солнечного коллектора является предупреждение утечки воздуха. Поскольку, нагретый солнцем воздух, подаётся вентилятором под давлением, существует возможность утечки даже через небольшие щели, а также засасывание в эти щели холодного наружного воздуха.
Многие конструкторы считают, что предупреждение утечки важно для жидкостных солнечных установок, но это имеет не меньшее значение для повышения КПД воздушных солнечных коллекторов.
Воздухонепроницаемость является важнейшим фактором в конструкции всей системы воздушного потока, включая воздуховоды и демпферы.
Особая тщательность должна быть соблюдена при устройстве переплётов остекления во избежание утечки воздуха; использование больших листов пластика значительно уменьшает число стыков при остеклении. Подобно вторым оконным рамам, уменьшающим проникновение воздуха в здание, второе и третье прозрачное покрытие уменьшает утечку воздуха в коллекторах воздушного типа.
Если солнечный коллектор будет изготавливаться и собираться на месте, то в конструктивных элементах, отделяющих отсеки абсорбера друг от друга, можно сделать перфорации, позволяющие воздуху поступать из одного отсека в другой, выравнивая тем самым давление и воздушный поток через разные панели.
По сравнению с жидкостями, предсказание и равномерное распределение потока газов или воздуха представляет собой более трудную задачу. В случае панелей заводского изготовления, которые собираются на площадке, в конструкции должен предусматриваться допуск на изменение и регулирование воздушного потока.
Трудность предсказания и контроля над движением воздуха является одной из основных причин предпочтения инженерами жидкостных солнечных установок.
Основные проблемы
Серьёзными проблемами при создании воздушного солнечного коллектора являются:
- низкая удельная теплоёмкость воздуха;
- малая плотность.
Ввиду низкой теплоёмкости воздуха появляется необходимость создавать габаритные рабочие объёмы, где он может циркулировать, даже в самом солнечном коллекторе.
Воздушные промежутки в солнечных коллекторах (например, между пластиной абсорбера и прозрачным покрытием) составляют 40–150 мм. Вообще, чем больше размер воздуховода, тем меньше перепад давления (сопротивление движению воздуха), но тем хуже теплопередача от абсорбера к воздуху.
Комментарии