394
Комбіновані сонячні колектори з тепловими трубами
Сонячна енергія використовується для виробництва гарячої води (тепло повітря) і отримання електроенергії. Електрична енергія також генерується за допомогою фотоелектричних панелей. Отримана електрична енергія використовується для промислового призначення та індивідуального живлення.
Сонячні колектори та водонагрівачі – теплообмінники, виготовлені у вигляді звичайних трубчастих радіаторів. Кількість радіаторних труб - 4, 6, 8 штук, які зварюються на дві труби. Вода входить труби радіатора через одну з труб, а через інші витрати в збір або систему. Трубчастий радіатор поміщається в термоізольовану коробку, яка закривається склом на одну сторону. За рахунок поглинання сонячної теплової енергії вода, яка циркулює в трубах, нагрівається. Для збільшення площі теплопоглинання труби поставляються з алюмінієвими плавниками. Потужність абсорбції збільшена шляхом покриття фінів чорною фарбою.
доб.200
Сонячні водонагрівачі активного або пасивного типу. Активна система використовує електричний насос для циркуляції рідини через колектор. Пасивна система не має насоса і використовує тільки природний кровообіг. Активна система опалення є більш ефективним, але більш дорогим для роботи. Система активного обігу використовується для отримання гарячої води в поглинанні (дозаторі) холодильних машин (теплові насоси), в віллах, котеджах або в офісних приміщеннях підприємств. Пасивна система найбільш широко використовується для обігріву води в побутових потребах житлових будинків невисокої конструкції. Система досить проста, надійна і не дорого.
Сонячна енергія також використовується для обігріву повітря, який перекачується через повітряні канали. Нерідко в конструкції будуються повітряні канали для опалення повітря.
Підвищення ефективності та надійності сонячних колекторів для опалювальної води з використанням теплових труб. Дослідження показали, що їх теплові характеристики в пасивних системах опалення можна порівняти з тими активними системами. Теплові труби (TT) або закриті двофазні термосифони (TTS) також забезпечують значно ефективний захист від заморожування при температурі нижче 0°C.
Сонячні колектори з тепловими трубами або двофазними термосифонами мають схожий дизайн. Нагрівальна панель виготовляється з зон випаровування зони теплових труб. У баку батареї розміщені зони конденсації теплових труб. Відмінності існують в оформленні ребер або фінів в зонах випарних зон і конфігурації каналів для проходження води або повітря. Деякі структурні відмінності існують в зонах конденсаційних зон теплових труб, які розміщені в баку акумулятора, наприклад, поздовжні або спіральні ребра.
У патенті США пропонується тепловий колектор, панель тепловідведення якого має канали, заповнені охолоджувачем. При нагріванні охолоджувача відбувається випаровування, пари піднімаються в кільцевий канал, який поміщається в резервуар для водяного опалення. вище метод теплопередачі відноситься до принципу роботи теплової труби. Конструкція колектора забезпечує високу ступінь теплопередачі і достатню ефективність. У дизайні колектора і способу теплопередачі є ряд значних недоліків. Дизайн не технологічний з точки зору виготовлення, важко заправити канали з охолоджувачем. Неприємний і недобрий достатній нагрів води в резервуарі.
Сонячні колектори для опалювальної води, наприклад, компанії «Globe Solar Energy» Inc. (Канада), «ECOTEC» (Ізраїль) і деякі інші компанії містять теплові труби. У скляних оболонках розміщуються зони випаровування теплових труб, а ділянки зони конденсації розташовані в баку акумулятора або в трубчастому колекторі. У скляних оболонках підтримується дана вакуумна (від 10 до 30 ПС). Кількість вакууму залежить від місця поглинання колектора. Незважаючи на тверду рекламу, колектори зі скляними вакуумними оболонками не користуються великим попитом серед споживачів. Це пов'язано з тим, що колектор має велику вагу, має високу вартість і низьку надійність конструкції.
Існують різні конструкції комбінованих сонячних колекторів. Збірники комбінованого типу дозволяють отримати гарячу воду або повітряну і електричну енергію.
Комбіновані колектори зазвичай виготовляються на стандартній трубчастій основі колектора для опалювальної води або з плоскою полімерною пластиною. У верхній частині трубчастого колектора на всю зону поглинання сонячної енергії розміщується фотоелектрична панель. Дана композиція колектора забезпечує виробництво теплової та електричної енергії з більш економічним застосуванням структурної площі колектора.
Ми розробили кілька конструкцій комбінованих сонячних колекторів типу блоків. Основний акцент у розробці колекторних конструкцій проводиться на підвищенні ефективності перетворення сонячної енергії в спеку. Для цього застосовуються теплові труби (закриті двофазні термосифони) як елементи теплопередачі. Один з багатьох модифікацій фотоелектричної панелі з встановленою потужністю близько 100 Вт був використаний як електрогенератор. На малюнку нижче показано схему одного з зразків комбінованого колектора.
A являє собою блок поглинання сонячної енергії; B - блок водонагріву і генерації електроенергії; 1 - термоізольована коробка; 2 - скляна коробка; 3 - фотоелектрична панель; 4 - зони випаровування зон теплопровідних труб; 5 - електронагрівальні елементи; 6 - плавники; 7 - тепловідведення панелі; 8 - теплообмінні секції; 9 - ділянки конденсаційних зон теплових труб; 10 - роз'єми штекера.
Комбінований колектор виготовлений з теплових труб і складається з блока поглинання сонячної теплової енергії, блоку водонагріву і блоку генерації електричної енергії. Блок водонагріву виготовляється за принципом теплообмінника типу «пір в трубі». Теплообмінник складається з секцій, кількість яких може відповідати кількості теплових труб. Конструкція колектора, в якому теплообмінник містить кількість секцій, що дорівнює двічі кількості теплових труб. Наприклад, кількість теплових труб становить 8 штук, а кількість секцій теплообмінника становить 16. Передача тепла на опалювальну воду в теплообміннику може здійснюватися двома способами: прямий контакт поверхні зони конденсації теплової труби водою або методом «сухий контакт». В останньому випадку теплообмін здійснюється через два теплопровідні стіни. Конструкція комбінованого колектора з тепловими трубами, на поверхні випарних зон яких фіксуються елементи електричного опалення.
Площа тепловідведення, яка складається з випарних ділянок, становить від 60 до 70% загальної площі колектора. Для систем з природною циркуляцією поверхня теплообміну повинна бути більшою, ніж для активних систем.
На рисах нижче показано експериментальну систему активних водонагрівачів. Система складається з 2 сонячних обігрівачів, кожен з яких підключений до резервуара для води потужністю Vt = 150 літрів (кг). Вода циркуляція через нагрівачі здійснюється відцентрових насосів. Нагрівачі з термозберігаючими поверхнями виходять на південний захід і встановлюються під кутом 35 градусів до горизонту.
Перевірка ефективності водонагрівачів проводилась за допомогою сонячної колекторської компанії NIMROD (Ізраїль). Стандартний обігрівач складається з термоізольованої коробки, в якій поміщено 8 штук теплоносіяних мідних труб O16/14 мм, за допомогою яких нагріваються циркулятори води. Теплоприймальні труби зварюються в два прийомні труби з внутрішнім діаметром 26,5 мм. На трубах розміщуються плавники, які виготовляються з алюмінієвих пластин, товщиною 0,5 мм. фіни покривають чорною фарбою для збільшення теплової здатності. Загальна теплоабсорбційна поверхня стандартної панелі Fst = 2,565 м2. Площа перетину тепловідведення труб 0,00123 м2.
СР3-20/40 відцентровий насос використовується для подачі води на сонячний обігрівач. Насос має три режими роботи, які забезпечують продуктивність насоса: 2 м3/год, 2.6 м3/год та 3.75 м3/год. При максимальній продуктивності швидкість потоку води в трубах сонячного нагрівача становить 0,8 м / с.
Новий сонячний комбінований обігрівач також виконаний на базі панелі NIMROD. Збірник складається з блоків, які розміщені в стандартній термоізоляційній коробці. З 8 труб цієї панелі були виготовлені теплові труби (в нашому випадку закриті двофазні термосифони). Кожен DTS був заповнений бінарним охолоджувачем метанолу. Кількість охолоджуючої речовини в DTS 150 мл. Зони випаровування випарних зон з фінами утворюють теплову панель. Площа тепловідведення - 1.67 м2. На ділянках випаровування встановлюються плавники, однакові розміри, як на стандартному нагрівачі. Довжина випаровування ділянки становить близько 1.3 м. Площа тепловідведення комбінованого колектора становить 1,4 разів менше, ніж стандартний колектор.
Зрізи конденсаторів ДТС розташовані в секціях теплообмінника типу «пір в трубі». Для збільшення ступеня контакту між поверхнею конденсаторних секцій ДТС і стін теплообмінника, алюмінієві стружки розміщені в проміжку. Внутрішня поверхня водяного опалення становить близько 0,393 м2. Площа проходу для води 0,00768 м2. З огляду на те, що площа проходу для води в нагрівачі на теплових трубах становить 6,2 разів більше, ніж для забезпечення такої швидкості води 0,8 м / с, 6.08 м3 / год води необхідно перекачувати через нагрівач, тобто майже вдвічі більше, ніж за стандартним нагрівачем.
Стандартна фотоелектрична панель з номінальною інсталяцією потужністю 100 Вт, з робочою поверхнею 1.14 м2 забезпечує легкий день зарядки акумулятора 12 В потужністю 55-60 А. При струмі акумулятора 5Ah насос 200 Вт або нагрівач може працювати протягом 10 до 12 годин.
Методи обробки та аналізу експериментальних даних
Існує кілька способів визначення ефективності або ефективності сонячних обігрівачів. Метод розрахунку широко використовується, що базується на принципі відрахування неминучих втрат теплової енергії від ідеальної поглинаючої ємності колектора. Ці втрати включають коефіцієнт перетворення сонячної енергії (ηo) і коефіцієнти втрати (a1, a2). Коефіцієнт перетворення (ηo) враховує оптичні втрати сонячного колектора, коефіцієнти a1 і a2 - теплові втрати колектора.
Для визначення ефективності перетворення сонячної енергії колектором в певній області та набору зовнішніх умов пропонується формула:
де визначається параметр (X) отриманого колектора на основі середньої температури повітря (там), середньої температури опалювальної води (твм) та величини сонячного випромінювання (Г).
Як можна побачити з характерних розмірів, параметр (X) являє собою змінне значення термостійкість. Для даної широтності та місцевості сонячне випромінювання є постійним (крім щоденних змін погодних умов, таких як хмарність, пилосос тощо). Тому зміна значення (X) залежить від різниці температури нагрітої води і навколишнього повітря, точніше, тільки від температури повітря. Враховувати ефективність колектора можна тільки до значення сонячного випромінювання або середньої температури повітря.
Графіки «ефективності» в функції η=f(X) представлені виробниками сонячних колекторів абсолютно однакові, хоча чисельні значення коефіцієнтів теплової втрати відрізняються.
Природно, виникають суттєві сумніви щодо прийнятих значень коефіцієнтів втрати тепла колектора. Наприклад, Лабораторія Swiss Testing (SPF звіт C63LPEN) на основі зони поглинання запропоновано наступний набір значень для розрахунку ефективності сонячних колекторів:
- коефіцієнт перетворення: ηo = 0.717;
- коефіцієнт втрати: a1 = 1.52, W/(m2 · K);
- коефіцієнт втрати: a2 = 0.0085, W/(m2 · K);
Інші лабораторії і компанії пропонують свої цінності коефіцієнтів втрати, які, в свою чергу, залежать від численних зовнішніх і дизайнерських факторів. Наприклад, оптична втрата колектора зазвичай становить від 14% і 26%, а іноді як висока, як 32%, так і більше. Що таке фактор перетворення (ηo) береться між 0.86 і 0,68 і нижче. Як можна припустити, що на основі експериментальних даних для певного дизайну та площі колектора беруться чисельні значення коефіцієнтів втрати тепла (а1) та (а2). Виникає питання, чи є право продовжити ці чисельні значення втрат тепла для всіх виготовлених сонячних колекторів?
Якщо об'ємність коефіцієнта (а1) не сумнівається, то об'ємність коефіцієнта (а2), де температура дається в квадраті, нічого, але математична методика отримання нескінченного значення. Використовуйте цю математичну техніку, щоб уникнути помилок в рахунках. З точки зору процесу теплообміну запропонований метод обчислення ефективності колектора не дозволяє об'єктивно оцінити переваги конкретного колектора.
Природно, неможливо оцінити ефективність колекторів комбінованого типу за відомими методами. Для визначення значень втрат тепла необхідна велика кількість експериментів для всіх різних змін впливу факторів впливу. Для загального споживача найбільш важливою характеристикою сонячного колектора є кількість і максимальна температура нагрітої води в день. Ця позиція говорить вам, як перевірити ефективність дизайну сонячного колектора.
Таким чином, при оцінці ефективності нових зразків сонячних колекторів, середня вартість теплової енергії, що поглинається нагрітою водою протягом певного періоду часу денного світла була визначена. У порівнянні з стандартними колекторами, які існують на ринках багатьох країн.
При оцінці ефективності сонячних обігрівачів, виміри були зроблені з температури води на виході з резервуарів і температури зовнішнього повітря. Для порівняльного аналізу були покладені наступні параметри: однакова ємність (ємність) танків; однакова і постійна швидкість потоку в трубах стандартного нагрівача і в секціях теплообмінника комбінованого колектора. Як зазначено вище, тест був проведений для систем опалення з активною циркуляцією води. В даний час випробувано системи з природною циркуляцією води з використанням однакових параметрів. Для системи з природною циркуляцією води, виготовлений комбінований теплопровідний колектор і встановлюється стандартний колектор. Загальні розміри колекторів однакові.
Вода і температури повітря вимірювали кожну годину, від 8.00 до 16.00 ранку. Швидкість потоку в трубах стандартного нагрівача і секцій теплообмінника нового колектора підтримується в межах 0,8 м / с.
З 3-місячного тестового циклу, кілька днів (17.07., 21.07. та 24.07.2011) вимірювання проводилися з 8.00 до 11.00 ранку. На кілька днів вода і температури повітря були вимірені до 18.00 р. Ці вимірювання були зроблені з 1.08 до 3.08.2011.
Кількість теплової енергії, яка поглинається водою в сонячному нагрівачі, визначена формулами:
Від виразів знайдено ефективність теплопоглинання або кількості теплових протоків на тепловідведення поверхні сонячних нагрівачів:
Коефіцієнти ефективності (η) або теплова ефективність сонячних нагрівачів були розраховані у співвідношенні кількості опалюваних сонячними нагрівачами до кількості сонячної радіації Г для даної широтності місцевості та відповідного часу року.
Для широтності, на якому знаходиться Ізраїль, значення сонячної радіації для весняно-літнього періоду може бути Г = 950 - 1,100 Вт / м2, для осіннього і зимового періоду сонячне випромінювання Г = 750 - 950 Вт / м2.
На малюнку показано результати випробувань ефективності сонячних нагрівачів та теплових труб різного типу. На графіку показані середні значення теплового потоку під час денного світла, коли сонячні промені вражають тепловідведення поверхонь колекторів. Розраховувана теплова абсорбція (П) ефективність обігрівачів була приписана до значення сонячної радіації, що дорівнює 900 Вт / м2. Як видно з представленого графіка, теплова ефективність комбінованого колектора становить 2,2-2,36 разів вище, ніж стандартний обігрівач. Слід зазначити, що тепловідведення поверхні комбінованого колектора на теплових трубах становить 40% менше, ніж стандартний колектор.
Аналіз результатів випробувань стандартного нагрівача показує, що кількість тепла поглинається на 1 м2 теплообмінної поверхні в основному залежить від тривалості обігріву і початкової різниці температури води в резервуарі і зовнішнього повітря. Кількість тепла вбирається на 8 годин роботи в середньому 16,500 кДж, і за 10 годин роботи - 20,500 кДж. Стандартний колектор дуже чутливий до змін за ступенем хмарності протягом дня. У чистому погоді водяне опалення відбувається досить швидко, особливо з 9.00 до 13.00 вечора. У стандартному нагрівачі температура нагрітої води влітку досягає від 52.1 ° С до 63.3 ° С. Вимірювана середня температура повітря протягом тестового періоду була 29-31 ° Р. Максимальна досягнута теплова щільність так далеко не була P = 300 Вт / м2. Середня щомісячна теплова ефективність стандартного колектора P = 220 Вт / м2 взимку і P = 243 Вт / м2 влітку. Середня ефективність стандартного резервуара з активною циркуляцією води у червні склала 21,7%. Оцінена теплова ефективність колектора у липні склала 21,2%, у серпні – 21.48%. Ці значення теплової ефективності повністю відповідають відомим типам стандартних колекторів, які діють на діючу систему циркуляції води.
Тести комбінованого колектора на теплових труб показали досить високу ефективність запропонованого дизайну обігрівача. У цьому колекторі проведено передачу тепла з стін конденсаційної зони теплових труб до опалювальної води методом «сухий контакт». Крім того, алюмінієва фольга була розміщена в проміжку між стінкою теплопровідної труби і стіною секції теплообмінника для поліпшення контакту.
У літні місяці нагрів води в колекторі з тепловими трубами було більш інтенсивним. Початкова температура води в резервуарах стандартного колектора і комбінованого колектора однакова. Як правило, інтенсивність обігріву в колекторі теплової труби склала 3,8 – 4,6 ° С вище стандартного колектора. У серпні вказана інтенсивність опалення досягла 5,2 - 7,4 ° С. Кількість енергії, що поглинається в колекторі, середня: за 8 годин роботи, 20,600 кДж, за 10 годин роботи - 25,000 кДж. Більша кількість поглинаної теплової енергії в теплопровідному колекторі можна пояснити тим, що теплові труби мають ємність для зберігання. Середня температура гарячої води в зимові місяці була від 56.0 C до 60.6 C, а в літні місяці вода нагрів досяг 59,2 С - 72.0 С. Теплова ефективність колектора була P = 510 Вт / м2 влітку і P = 550 Вт / м2 взимку місяці. Коефіцієнт ефективності колектора на теплових трубах знаходиться в діапазоні 42-50%.
У цифрах показано ефективність теплообміну та ефективність поглинання теплової труби.
Наведений графік відноситься до комбінованого різноманіття тестового періоду з середини грудня 2010 до середини березня 2011 року. Всі вимірені та розраховані дані були середні за тижневі періоди. При розрахунку теплової ефективності взимку і навесні (березень), вартість сонячної радіації була прийнята до 750 Вт / м2, влітку - до 950 Вт / м2. Як випливає з результатів випробувань, взимку комбінований колектор показує більш високу ефективність. Це пов'язано з тим, що теплові труби мають ємність для зберігання, і, таким чином, забезпечують більш тривалий період водяного опалення. Взимку тривалістю вимірювань також проводилися протягом 8 годин денної роботи.
Слід зазначити, що стандартні сонячні колектори також використовуються для забезпечення роботи поглинання (Компанія «СК Сонненкліма» GmbH) або адсорбції (Компанія «СолярТех» AG) теплових насосів. З потужністю холодильних машин (7-8 кВт), необхідно встановити сонячні колектори загальною потужністю (13-14) кВт. Для отримання такої теплової потужності встановлюються 6-8 одиниць стандартно-типових сонячних колекторів з тепловідведенням поверхні (2.6-2.8) м2. Для отримання такої ж (13-14) кВт теплової енергії в комбінованих колекторах на теплових трубах необхідно встановити 3-4 одиниці колекторів. Загальні розміри комбінованих колекторів однакові, як і у стандартних колекторах. У той же час, комбіновані сонячні колектори дозволяють отримувати електричну енергію, що досить приводити циркуляційні насоси.
Результати випробувань сонячних колекторів
Термічна ефективність колектора тепловими трубами та теплообмінником типу «пір в трубі» навіть з методом теплопередачі методом «сухий контакт» вище 55-65% порівняно з традиційними сонячними колекторами;
Наявність фотоелектричної панелі дозволяє розширити робочий інтервал колектора, як вночі, так і з низьким сонячним випромінюванням (висока хмарність або дощова погода);
Використання бінарних охолоджувачів з низькими температурами кипіння в теплових труб забезпечує швидкий запуск колектора в експлуатації і зменшує теплові втрати, а при відсутності сонячної радіації теплові розряди в навколишнє середовище мінімальне;
Наявність електричних нагрівальних елементів в зонах випаровування теплових труб забезпечує водяне опалення в ніч на 12-15 годин;
Простий дизайн комбінованого колектора дозволяє випускати колектори з низькою вартістю та реалізовувати за конкурентними цінами.
Список позначення кВ - теплоємність води, кДж/(кг К);
F - площа тепловідведення поверхні, м2;
Г - сонячне випромінювання, В/м2;
М - кількість нагрітої води, кг;
Q - кількість тепла, що поглинається нагрівач, кДж;
П – теплова ефективність обігрівача, Вт/м2;
В - ємність бака, л
т = температура, °C; Грецька:
τ - тривалість нагрівача, година;
η є коефіцієнтом ефективності обігрівача; Індикатори:
аа = середня температура повітря;
авхп - середня температура води в резервуарі з тепловими трубами;
awst - середня температура води в резервуарі стандартного колектора;
hp - колектор з тепловими трубами;
Ст - стандартний колектор;
w - параметр води.
Джерело: Альтернативнергія.ru
Сонячні колектори та водонагрівачі – теплообмінники, виготовлені у вигляді звичайних трубчастих радіаторів. Кількість радіаторних труб - 4, 6, 8 штук, які зварюються на дві труби. Вода входить труби радіатора через одну з труб, а через інші витрати в збір або систему. Трубчастий радіатор поміщається в термоізольовану коробку, яка закривається склом на одну сторону. За рахунок поглинання сонячної теплової енергії вода, яка циркулює в трубах, нагрівається. Для збільшення площі теплопоглинання труби поставляються з алюмінієвими плавниками. Потужність абсорбції збільшена шляхом покриття фінів чорною фарбою.
доб.200Сонячні водонагрівачі активного або пасивного типу. Активна система використовує електричний насос для циркуляції рідини через колектор. Пасивна система не має насоса і використовує тільки природний кровообіг. Активна система опалення є більш ефективним, але більш дорогим для роботи. Система активного обігу використовується для отримання гарячої води в поглинанні (дозаторі) холодильних машин (теплові насоси), в віллах, котеджах або в офісних приміщеннях підприємств. Пасивна система найбільш широко використовується для обігріву води в побутових потребах житлових будинків невисокої конструкції. Система досить проста, надійна і не дорого.
Сонячна енергія також використовується для обігріву повітря, який перекачується через повітряні канали. Нерідко в конструкції будуються повітряні канали для опалення повітря.
Підвищення ефективності та надійності сонячних колекторів для опалювальної води з використанням теплових труб. Дослідження показали, що їх теплові характеристики в пасивних системах опалення можна порівняти з тими активними системами. Теплові труби (TT) або закриті двофазні термосифони (TTS) також забезпечують значно ефективний захист від заморожування при температурі нижче 0°C.
Сонячні колектори з тепловими трубами або двофазними термосифонами мають схожий дизайн. Нагрівальна панель виготовляється з зон випаровування зони теплових труб. У баку батареї розміщені зони конденсації теплових труб. Відмінності існують в оформленні ребер або фінів в зонах випарних зон і конфігурації каналів для проходження води або повітря. Деякі структурні відмінності існують в зонах конденсаційних зон теплових труб, які розміщені в баку акумулятора, наприклад, поздовжні або спіральні ребра.
У патенті США пропонується тепловий колектор, панель тепловідведення якого має канали, заповнені охолоджувачем. При нагріванні охолоджувача відбувається випаровування, пари піднімаються в кільцевий канал, який поміщається в резервуар для водяного опалення. вище метод теплопередачі відноситься до принципу роботи теплової труби. Конструкція колектора забезпечує високу ступінь теплопередачі і достатню ефективність. У дизайні колектора і способу теплопередачі є ряд значних недоліків. Дизайн не технологічний з точки зору виготовлення, важко заправити канали з охолоджувачем. Неприємний і недобрий достатній нагрів води в резервуарі.
Сонячні колектори для опалювальної води, наприклад, компанії «Globe Solar Energy» Inc. (Канада), «ECOTEC» (Ізраїль) і деякі інші компанії містять теплові труби. У скляних оболонках розміщуються зони випаровування теплових труб, а ділянки зони конденсації розташовані в баку акумулятора або в трубчастому колекторі. У скляних оболонках підтримується дана вакуумна (від 10 до 30 ПС). Кількість вакууму залежить від місця поглинання колектора. Незважаючи на тверду рекламу, колектори зі скляними вакуумними оболонками не користуються великим попитом серед споживачів. Це пов'язано з тим, що колектор має велику вагу, має високу вартість і низьку надійність конструкції.
Існують різні конструкції комбінованих сонячних колекторів. Збірники комбінованого типу дозволяють отримати гарячу воду або повітряну і електричну енергію.
Комбіновані колектори зазвичай виготовляються на стандартній трубчастій основі колектора для опалювальної води або з плоскою полімерною пластиною. У верхній частині трубчастого колектора на всю зону поглинання сонячної енергії розміщується фотоелектрична панель. Дана композиція колектора забезпечує виробництво теплової та електричної енергії з більш економічним застосуванням структурної площі колектора.
Ми розробили кілька конструкцій комбінованих сонячних колекторів типу блоків. Основний акцент у розробці колекторних конструкцій проводиться на підвищенні ефективності перетворення сонячної енергії в спеку. Для цього застосовуються теплові труби (закриті двофазні термосифони) як елементи теплопередачі. Один з багатьох модифікацій фотоелектричної панелі з встановленою потужністю близько 100 Вт був використаний як електрогенератор. На малюнку нижче показано схему одного з зразків комбінованого колектора.
A являє собою блок поглинання сонячної енергії; B - блок водонагріву і генерації електроенергії; 1 - термоізольована коробка; 2 - скляна коробка; 3 - фотоелектрична панель; 4 - зони випаровування зон теплопровідних труб; 5 - електронагрівальні елементи; 6 - плавники; 7 - тепловідведення панелі; 8 - теплообмінні секції; 9 - ділянки конденсаційних зон теплових труб; 10 - роз'єми штекера.
Комбінований колектор виготовлений з теплових труб і складається з блока поглинання сонячної теплової енергії, блоку водонагріву і блоку генерації електричної енергії. Блок водонагріву виготовляється за принципом теплообмінника типу «пір в трубі». Теплообмінник складається з секцій, кількість яких може відповідати кількості теплових труб. Конструкція колектора, в якому теплообмінник містить кількість секцій, що дорівнює двічі кількості теплових труб. Наприклад, кількість теплових труб становить 8 штук, а кількість секцій теплообмінника становить 16. Передача тепла на опалювальну воду в теплообміннику може здійснюватися двома способами: прямий контакт поверхні зони конденсації теплової труби водою або методом «сухий контакт». В останньому випадку теплообмін здійснюється через два теплопровідні стіни. Конструкція комбінованого колектора з тепловими трубами, на поверхні випарних зон яких фіксуються елементи електричного опалення.
Площа тепловідведення, яка складається з випарних ділянок, становить від 60 до 70% загальної площі колектора. Для систем з природною циркуляцією поверхня теплообміну повинна бути більшою, ніж для активних систем.
На рисах нижче показано експериментальну систему активних водонагрівачів. Система складається з 2 сонячних обігрівачів, кожен з яких підключений до резервуара для води потужністю Vt = 150 літрів (кг). Вода циркуляція через нагрівачі здійснюється відцентрових насосів. Нагрівачі з термозберігаючими поверхнями виходять на південний захід і встановлюються під кутом 35 градусів до горизонту.
Перевірка ефективності водонагрівачів проводилась за допомогою сонячної колекторської компанії NIMROD (Ізраїль). Стандартний обігрівач складається з термоізольованої коробки, в якій поміщено 8 штук теплоносіяних мідних труб O16/14 мм, за допомогою яких нагріваються циркулятори води. Теплоприймальні труби зварюються в два прийомні труби з внутрішнім діаметром 26,5 мм. На трубах розміщуються плавники, які виготовляються з алюмінієвих пластин, товщиною 0,5 мм. фіни покривають чорною фарбою для збільшення теплової здатності. Загальна теплоабсорбційна поверхня стандартної панелі Fst = 2,565 м2. Площа перетину тепловідведення труб 0,00123 м2.
СР3-20/40 відцентровий насос використовується для подачі води на сонячний обігрівач. Насос має три режими роботи, які забезпечують продуктивність насоса: 2 м3/год, 2.6 м3/год та 3.75 м3/год. При максимальній продуктивності швидкість потоку води в трубах сонячного нагрівача становить 0,8 м / с.
Новий сонячний комбінований обігрівач також виконаний на базі панелі NIMROD. Збірник складається з блоків, які розміщені в стандартній термоізоляційній коробці. З 8 труб цієї панелі були виготовлені теплові труби (в нашому випадку закриті двофазні термосифони). Кожен DTS був заповнений бінарним охолоджувачем метанолу. Кількість охолоджуючої речовини в DTS 150 мл. Зони випаровування випарних зон з фінами утворюють теплову панель. Площа тепловідведення - 1.67 м2. На ділянках випаровування встановлюються плавники, однакові розміри, як на стандартному нагрівачі. Довжина випаровування ділянки становить близько 1.3 м. Площа тепловідведення комбінованого колектора становить 1,4 разів менше, ніж стандартний колектор.
Зрізи конденсаторів ДТС розташовані в секціях теплообмінника типу «пір в трубі». Для збільшення ступеня контакту між поверхнею конденсаторних секцій ДТС і стін теплообмінника, алюмінієві стружки розміщені в проміжку. Внутрішня поверхня водяного опалення становить близько 0,393 м2. Площа проходу для води 0,00768 м2. З огляду на те, що площа проходу для води в нагрівачі на теплових трубах становить 6,2 разів більше, ніж для забезпечення такої швидкості води 0,8 м / с, 6.08 м3 / год води необхідно перекачувати через нагрівач, тобто майже вдвічі більше, ніж за стандартним нагрівачем.
Стандартна фотоелектрична панель з номінальною інсталяцією потужністю 100 Вт, з робочою поверхнею 1.14 м2 забезпечує легкий день зарядки акумулятора 12 В потужністю 55-60 А. При струмі акумулятора 5Ah насос 200 Вт або нагрівач може працювати протягом 10 до 12 годин.
Методи обробки та аналізу експериментальних даних
Існує кілька способів визначення ефективності або ефективності сонячних обігрівачів. Метод розрахунку широко використовується, що базується на принципі відрахування неминучих втрат теплової енергії від ідеальної поглинаючої ємності колектора. Ці втрати включають коефіцієнт перетворення сонячної енергії (ηo) і коефіцієнти втрати (a1, a2). Коефіцієнт перетворення (ηo) враховує оптичні втрати сонячного колектора, коефіцієнти a1 і a2 - теплові втрати колектора.
Для визначення ефективності перетворення сонячної енергії колектором в певній області та набору зовнішніх умов пропонується формула:
де визначається параметр (X) отриманого колектора на основі середньої температури повітря (там), середньої температури опалювальної води (твм) та величини сонячного випромінювання (Г).
Як можна побачити з характерних розмірів, параметр (X) являє собою змінне значення термостійкість. Для даної широтності та місцевості сонячне випромінювання є постійним (крім щоденних змін погодних умов, таких як хмарність, пилосос тощо). Тому зміна значення (X) залежить від різниці температури нагрітої води і навколишнього повітря, точніше, тільки від температури повітря. Враховувати ефективність колектора можна тільки до значення сонячного випромінювання або середньої температури повітря.
Графіки «ефективності» в функції η=f(X) представлені виробниками сонячних колекторів абсолютно однакові, хоча чисельні значення коефіцієнтів теплової втрати відрізняються.
Природно, виникають суттєві сумніви щодо прийнятих значень коефіцієнтів втрати тепла колектора. Наприклад, Лабораторія Swiss Testing (SPF звіт C63LPEN) на основі зони поглинання запропоновано наступний набір значень для розрахунку ефективності сонячних колекторів:
- коефіцієнт перетворення: ηo = 0.717;
- коефіцієнт втрати: a1 = 1.52, W/(m2 · K);
- коефіцієнт втрати: a2 = 0.0085, W/(m2 · K);
Інші лабораторії і компанії пропонують свої цінності коефіцієнтів втрати, які, в свою чергу, залежать від численних зовнішніх і дизайнерських факторів. Наприклад, оптична втрата колектора зазвичай становить від 14% і 26%, а іноді як висока, як 32%, так і більше. Що таке фактор перетворення (ηo) береться між 0.86 і 0,68 і нижче. Як можна припустити, що на основі експериментальних даних для певного дизайну та площі колектора беруться чисельні значення коефіцієнтів втрати тепла (а1) та (а2). Виникає питання, чи є право продовжити ці чисельні значення втрат тепла для всіх виготовлених сонячних колекторів?
Якщо об'ємність коефіцієнта (а1) не сумнівається, то об'ємність коефіцієнта (а2), де температура дається в квадраті, нічого, але математична методика отримання нескінченного значення. Використовуйте цю математичну техніку, щоб уникнути помилок в рахунках. З точки зору процесу теплообміну запропонований метод обчислення ефективності колектора не дозволяє об'єктивно оцінити переваги конкретного колектора.
Природно, неможливо оцінити ефективність колекторів комбінованого типу за відомими методами. Для визначення значень втрат тепла необхідна велика кількість експериментів для всіх різних змін впливу факторів впливу. Для загального споживача найбільш важливою характеристикою сонячного колектора є кількість і максимальна температура нагрітої води в день. Ця позиція говорить вам, як перевірити ефективність дизайну сонячного колектора.
Таким чином, при оцінці ефективності нових зразків сонячних колекторів, середня вартість теплової енергії, що поглинається нагрітою водою протягом певного періоду часу денного світла була визначена. У порівнянні з стандартними колекторами, які існують на ринках багатьох країн.
При оцінці ефективності сонячних обігрівачів, виміри були зроблені з температури води на виході з резервуарів і температури зовнішнього повітря. Для порівняльного аналізу були покладені наступні параметри: однакова ємність (ємність) танків; однакова і постійна швидкість потоку в трубах стандартного нагрівача і в секціях теплообмінника комбінованого колектора. Як зазначено вище, тест був проведений для систем опалення з активною циркуляцією води. В даний час випробувано системи з природною циркуляцією води з використанням однакових параметрів. Для системи з природною циркуляцією води, виготовлений комбінований теплопровідний колектор і встановлюється стандартний колектор. Загальні розміри колекторів однакові.
Вода і температури повітря вимірювали кожну годину, від 8.00 до 16.00 ранку. Швидкість потоку в трубах стандартного нагрівача і секцій теплообмінника нового колектора підтримується в межах 0,8 м / с.
З 3-місячного тестового циклу, кілька днів (17.07., 21.07. та 24.07.2011) вимірювання проводилися з 8.00 до 11.00 ранку. На кілька днів вода і температури повітря були вимірені до 18.00 р. Ці вимірювання були зроблені з 1.08 до 3.08.2011.
Кількість теплової енергії, яка поглинається водою в сонячному нагрівачі, визначена формулами:
Від виразів знайдено ефективність теплопоглинання або кількості теплових протоків на тепловідведення поверхні сонячних нагрівачів:
Коефіцієнти ефективності (η) або теплова ефективність сонячних нагрівачів були розраховані у співвідношенні кількості опалюваних сонячними нагрівачами до кількості сонячної радіації Г для даної широтності місцевості та відповідного часу року.
Для широтності, на якому знаходиться Ізраїль, значення сонячної радіації для весняно-літнього періоду може бути Г = 950 - 1,100 Вт / м2, для осіннього і зимового періоду сонячне випромінювання Г = 750 - 950 Вт / м2.
На малюнку показано результати випробувань ефективності сонячних нагрівачів та теплових труб різного типу. На графіку показані середні значення теплового потоку під час денного світла, коли сонячні промені вражають тепловідведення поверхонь колекторів. Розраховувана теплова абсорбція (П) ефективність обігрівачів була приписана до значення сонячної радіації, що дорівнює 900 Вт / м2. Як видно з представленого графіка, теплова ефективність комбінованого колектора становить 2,2-2,36 разів вище, ніж стандартний обігрівач. Слід зазначити, що тепловідведення поверхні комбінованого колектора на теплових трубах становить 40% менше, ніж стандартний колектор.
Аналіз результатів випробувань стандартного нагрівача показує, що кількість тепла поглинається на 1 м2 теплообмінної поверхні в основному залежить від тривалості обігріву і початкової різниці температури води в резервуарі і зовнішнього повітря. Кількість тепла вбирається на 8 годин роботи в середньому 16,500 кДж, і за 10 годин роботи - 20,500 кДж. Стандартний колектор дуже чутливий до змін за ступенем хмарності протягом дня. У чистому погоді водяне опалення відбувається досить швидко, особливо з 9.00 до 13.00 вечора. У стандартному нагрівачі температура нагрітої води влітку досягає від 52.1 ° С до 63.3 ° С. Вимірювана середня температура повітря протягом тестового періоду була 29-31 ° Р. Максимальна досягнута теплова щільність так далеко не була P = 300 Вт / м2. Середня щомісячна теплова ефективність стандартного колектора P = 220 Вт / м2 взимку і P = 243 Вт / м2 влітку. Середня ефективність стандартного резервуара з активною циркуляцією води у червні склала 21,7%. Оцінена теплова ефективність колектора у липні склала 21,2%, у серпні – 21.48%. Ці значення теплової ефективності повністю відповідають відомим типам стандартних колекторів, які діють на діючу систему циркуляції води.
Тести комбінованого колектора на теплових труб показали досить високу ефективність запропонованого дизайну обігрівача. У цьому колекторі проведено передачу тепла з стін конденсаційної зони теплових труб до опалювальної води методом «сухий контакт». Крім того, алюмінієва фольга була розміщена в проміжку між стінкою теплопровідної труби і стіною секції теплообмінника для поліпшення контакту.
У літні місяці нагрів води в колекторі з тепловими трубами було більш інтенсивним. Початкова температура води в резервуарах стандартного колектора і комбінованого колектора однакова. Як правило, інтенсивність обігріву в колекторі теплової труби склала 3,8 – 4,6 ° С вище стандартного колектора. У серпні вказана інтенсивність опалення досягла 5,2 - 7,4 ° С. Кількість енергії, що поглинається в колекторі, середня: за 8 годин роботи, 20,600 кДж, за 10 годин роботи - 25,000 кДж. Більша кількість поглинаної теплової енергії в теплопровідному колекторі можна пояснити тим, що теплові труби мають ємність для зберігання. Середня температура гарячої води в зимові місяці була від 56.0 C до 60.6 C, а в літні місяці вода нагрів досяг 59,2 С - 72.0 С. Теплова ефективність колектора була P = 510 Вт / м2 влітку і P = 550 Вт / м2 взимку місяці. Коефіцієнт ефективності колектора на теплових трубах знаходиться в діапазоні 42-50%.
У цифрах показано ефективність теплообміну та ефективність поглинання теплової труби.
Наведений графік відноситься до комбінованого різноманіття тестового періоду з середини грудня 2010 до середини березня 2011 року. Всі вимірені та розраховані дані були середні за тижневі періоди. При розрахунку теплової ефективності взимку і навесні (березень), вартість сонячної радіації була прийнята до 750 Вт / м2, влітку - до 950 Вт / м2. Як випливає з результатів випробувань, взимку комбінований колектор показує більш високу ефективність. Це пов'язано з тим, що теплові труби мають ємність для зберігання, і, таким чином, забезпечують більш тривалий період водяного опалення. Взимку тривалістю вимірювань також проводилися протягом 8 годин денної роботи.
Слід зазначити, що стандартні сонячні колектори також використовуються для забезпечення роботи поглинання (Компанія «СК Сонненкліма» GmbH) або адсорбції (Компанія «СолярТех» AG) теплових насосів. З потужністю холодильних машин (7-8 кВт), необхідно встановити сонячні колектори загальною потужністю (13-14) кВт. Для отримання такої теплової потужності встановлюються 6-8 одиниць стандартно-типових сонячних колекторів з тепловідведенням поверхні (2.6-2.8) м2. Для отримання такої ж (13-14) кВт теплової енергії в комбінованих колекторах на теплових трубах необхідно встановити 3-4 одиниці колекторів. Загальні розміри комбінованих колекторів однакові, як і у стандартних колекторах. У той же час, комбіновані сонячні колектори дозволяють отримувати електричну енергію, що досить приводити циркуляційні насоси.
Результати випробувань сонячних колекторів
Термічна ефективність колектора тепловими трубами та теплообмінником типу «пір в трубі» навіть з методом теплопередачі методом «сухий контакт» вище 55-65% порівняно з традиційними сонячними колекторами;
Наявність фотоелектричної панелі дозволяє розширити робочий інтервал колектора, як вночі, так і з низьким сонячним випромінюванням (висока хмарність або дощова погода);
Використання бінарних охолоджувачів з низькими температурами кипіння в теплових труб забезпечує швидкий запуск колектора в експлуатації і зменшує теплові втрати, а при відсутності сонячної радіації теплові розряди в навколишнє середовище мінімальне;
Наявність електричних нагрівальних елементів в зонах випаровування теплових труб забезпечує водяне опалення в ніч на 12-15 годин;
Простий дизайн комбінованого колектора дозволяє випускати колектори з низькою вартістю та реалізовувати за конкурентними цінами.
Список позначення кВ - теплоємність води, кДж/(кг К);
F - площа тепловідведення поверхні, м2;
Г - сонячне випромінювання, В/м2;
М - кількість нагрітої води, кг;
Q - кількість тепла, що поглинається нагрівач, кДж;
П – теплова ефективність обігрівача, Вт/м2;
В - ємність бака, л
т = температура, °C; Грецька:
τ - тривалість нагрівача, година;
η є коефіцієнтом ефективності обігрівача; Індикатори:
аа = середня температура повітря;
авхп - середня температура води в резервуарі з тепловими трубами;
awst - середня температура води в резервуарі стандартного колектора;
hp - колектор з тепловими трубами;
Ст - стандартний колектор;
w - параметр води.
Джерело: Альтернативнергія.ru
