Вакуумно-тръбни колекторни системи

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2007

 

Видове, основни елементи, ефективност на колектори, монтажни условия

Енергията, която Земята получава ежегодно, е хиляди пъти повече в сравнение с енергийните нужди на човечеството. Максималната стойност на сумарното годишно излъчване и продължителността на слънцегреенето в различните географски зони е различна. В най-слънчевите райони е 9200 MJ, а за България, в зависимост от района, максималното годишно излъчване е в диапазона 1110 - 1420 kWh/m2 на година. Продължителността на слънцегреенето за София е 2020 часа/г., а за Пловдив - 2260 часа/г. Слънчевото излъчване се характеризира с т. нар. слънчева константа (Iс.к.). Стойността, която най-често се използва в практиката, е Iс.к. равно на 1355 W/m2, с годишна промяна в границите на ± 3%. Дефинира се като енергийния слънчев поток, попадащ перпендикулярно върху единица повърхнина, разположена в космическото пространство, извън атмосферата на Земята.

Интензитетът на слънчевата радиация

представлява двукомпонентна величина, включваща пряка и дифузна радиация. Изменението на интензитета, като цяло, и изменението на съотношението на дифузната и пряка радиация е в зависимост от атмосферните условия. Енергията на директното и дифузното излъчване може да бъде използвана ефективно за загряване на битова гореща вода и отопление на еднофамилни жилища, хотели, басейни и обществени сгради. Усвояването на тази енергия зависи изключително от качествата на слънчевите колектори. За да бъде максимално ефективен, колекторът трябва да приема слънчевата енергия и да не я отдава обратно, което е особено важно през по-студените месеци от годината. Съвременно решение представляват вакуумно-тръбните колектори, които са подходящи за целогодишно използване. Подходящи са за производство на гореща вода в различни приложения, включително в бита, малки производствени цехове, плувни басейни, отоплителни и климатични инсталации и други.

Основни елементи на вакуумно-тръбните колектори са вакуумни-стъклени тръби, абсорбер, топлинна тръба и колектор.

Абсорберът

превръща попадналата върху него слънчева радиация в топлина, която най-често посредством топлоносител се пренася за акумулиране или непосредствена консумация. Изработват се от топлопроводими, корозионноустойчиви материали - мед, стомана, алуминий. Счита се, че абсорберите със селективно покритие са с много добри характеристики. Най-често използваният метод е повърхностно нанасяне чрез електрохимични технологии. Полученото на базата на тези методи метално покритие е с дебелина от порядъка на 1 до 3 микрометра. Черният му пигмент запазва висока поглъщаемост в късовълновия обхват и прозрачност в дълговълновия обхват. При селективните покрития най-често коефициентът на поглъщане е a = 0,95 - 0,98, а на излъчване e = 0,1 - 0,14. Произвеждат се и бои със селективни свойства, който се нанасят чрез разпръскване или чрез прахово боядисване. Този вид покрития са със значително по-лоши характеристики в сравнение с електрохимичните покрития.

Конструктивно абсорберът е оформен като двустранно оребрена тръба, през която преминава загряваният топлоносител. Вакуумно-стъклената тръба, в която се разполага, е с диаметър 100 - 200 mm.

За повишаване ефективността на абсорбера, а оттам и на самия колектор, се използват

топлинни тръби

Обикновено представляват медна тръба, в която циркулира летлива кипяща течност. Топлинната тръба трансферира полезната топлина, като използва принципи, известни в хладилната техника - изпарение на топлоносителя при ниски температури и кондензиране на парите в кондензатори, контактуващи с вградени в колектора топлообменници. Когато колекторът работи с течен топлоносител, той обтича кондензатора на топлинната тръба, разположен извън вакуумираната стъклена тръба. Това е един от най-ефективните методи за пренос на топлинна енергия.

Вакуумните тръби

от който се изгражда колекторът, са от висококачествено стъкло. Дебелината на стената обикновено е 2.5 мм. В тръбите се подържат условия на дълбок вакуум, приблизително 100 Pa, който осигурява изключително добра изолация на абсорбера и защита от корозия. Вакуумът предотвратява загубите на топлинна енергия от абсорбера към околнaта среда и обезпечава ефективната работа на колектора и при минусови температури. Със значително по-добри работни характеристики са колекторите с вакуумни тръби, работещи без циркулация на работен флуид. Недотам добрите характеристики на колекторите, работещи с топлоносител, произтичат от факта, че най-често използваните топлоносители са вода или вода-гликол, което ограничава използването на колектора при много ниски температури.

При вакуумно-тръбните колектори загубите от отражение на слънчевата радиация са сравнително по-ниски в сравнение с плоските колектори. Съществен фактор, влияещ върху топлинните загуби от конвекция и топлопроводност, е разстоянието между абсорбиращата повърхнина и стъкленото покритие.

За повишаване ефективността на колектора, под тръбите може да се монтира рефлектор от алуминиево фолио. Използването на топлинна изолация също ограничава топлинните загуби. Използват се високоефективни изолационни материали - полистирол, пенополиуретан и др.

Ефективност на
слънчевия колектор

Ефективността на слънчевия колектор може се оценява на базата на моментната му топлинна ефективност hс.к., тъй като слънчевите колектори работят при променливи метеорологични и режимни условия. Моментната топлинна ефективност се определя от отношението на отвеждания от слънчевия колектор топлинен поток Qс.к и попадналия върху колектора поток от слънчева енергия Ас.к x Io, където Ас.к (m2) е площта на абсорбера под светлопроницаемата част на колектора, а Io (W/m2) - интензитетът на сумарната слънчева радиация върху монтажната равнина на колектора.

Реалният топлинен поток Qс.к, отнесен към температурата tв на постъпващия в колектора топлоносител, се определя от уравнението:

Qс.к = Fе Ас.к [Io (ta) - Uo(tв. - tвн.)], W,

където Fе е коефициент на отвеждане на топлина от колектора чрез топлоносителя; t.a е приведената поглъщателна способност на колектора за съответния ъгъл Q на падане на лъчите (Q - ъгълът между нормалата на колектора и слънчевите лъчи, t - коефициент на светлопропускане на покритието, a - коефициент на поглъщане на абсорбера); Uo (W/m2) е обобщен коефициент на топлопреминаване или коефициент на топлинните загуби, tвн.(oC) е температурата на външния въздух.

Обобщеното уравнение на ефективността на слънчев колектор е

зс.к. = Fе(ta)^ - FеUo(tв. - tвн.)/ Io,

където (ta)^ е приведената поглъщателна способност на колектора за ъгъл на падане на слънчевите лъчи Q = 0о. Ефективността на слънчевия колектор е линейна функция на израза (tв. - tвн.)/ Io, който изразява влиянието на експлоатационните фактори. Ъгловият коефициент FеUo и ординатата Fе(ta) при нулев аргумент (tв. - tвн.)/ Io = 0 отразява конструктивните особености на колектора.

От уравнението е видно, че когато (tв. - tвн.)/ Io = 0, ефективността на колекторите достига до 80%. Чрез коефициента на топлини загуби Uo се оценява топлинната изолация. Логично, колкото по-висока е стойността на топлинните загуби, толкова по-малка е ефективността на колектора. Счита се, че Uo трябва да има стойност в границите от 1.6 - 2.5 W/m2К.

Монтаж на слънчеви колектори

Обикновено слънчевите колектори се разполагат на открити незасенчени места, най-често върху покривите на сградите, а по-рядко на специални площадки върху метална конструкция. Изборът на място зависи от размера на колектора и от засенчването му от останалите части на сградата или съседните постройки. Когато инсталацията е с по-голяма мощност, размерите на колектора са значителни и това може да окаже влияние върху архитектурата на сградата или на околното пространство. Слънчевите колектори могат да се използват и като ограждащ елемент.

При монтирането на колектор върху наклонен покрив, наклонът на колектора следва този на покрива. Условието е наклонът на колектора да бъде средно в границите от 30-60 градуса. Най-добра е ориентацията на колекторите в южно направление. В краен случай се допуска ориентация на югозапад или югоизток. При тези ориентация и наклон сумарната денонощна трансформация на енергия има максимум. Технически проблем при този вид монтаж е постигането на добро укрепване на колектора върху покрива и уплътняването му. Когато колекторът трябва да се монтира върху плосък покрив, той се поставя върху специална носеща метална конструкция, обикновено от стоманени профили. Върху носещата конструкция се монтира колекторът и тръбните връзки. Предимства на този вид монтаж са възможност за избор на небесната ориентация на колектора и наклона. Като недостатък се явява не много естетичният вид на колекторното поле и необходимостта от допълнителни инвестиции за топлинна изолация и предпазване на тръбната мрежа от атмосферни влияния.

При големи
инсталации

когато за задоволяване на нуждите от топлинна енергия е необходимо да се монтират голям брой колектори, се използват специално обособени площадки на земята. Носещата конструкция се оразмерява за натоварване от сняг и ветрови напор. При многоредово подреждане на колекторите е необходимо да се определи подходящото разстояние между колекторите, така че да се предотврати или ограничи засенчването на всеки следващ ред. Най-благоприятни условия за засенчване се получават при изгрев и залез, когато височинният ъгъл на слънцето и интензитетът са с най-ниски стойности. При липса на достатъчно място за монтаж се допуска засенчване при изгрев и залез, но загубите от засенчване не трябва да бъдат повече от 10% от попадналата върху колекторите радиация при липса на засенчване. Дължината на редовете не оказва съществено влияние върху засенчването.

Свързване на колекторите

Свързването на колекторите към тръбната мрежа се осъществява по схема "долу-горе", т.е топлоносителят постъпва в колектора в ниската му част и го напуска в горната. При свързване на няколко колектора за изравняване на условията им на работа те се включват паралелно. Когато броят на колекторите е голям, събирателната и разпределителната мрежи се изпълняват по т.нар. попътна схема Тихелман. Това осигурява еднаквото обтичане на колекторите с флуида. За ефективна работа на колекторите е желателно температурата на преминаващата през тях вода да съответства на интензитета на слънцегреенето. Това може да се постигне чрез превключването им към акумулатори с различни температурни нива.

Акумулаторът

съхранява акумулираната в колекторите топлина. Чрез него се поема несъвпадането на максимален добив и максимален разход, т.е постига се частично изравняване на мощността на енергодобиващата и енергоконсумиращата част на системата. Най-често срещаните в практиката са водните акумулатори. Обикновено се изпълняват от стоманобетон, висококачествена емайлирана или неръждаема стомана с висока корозионна устойчивост или от изкуствени материали. Акумулаторите се изолират с високоефективни топлоизолационни материали, като коефициентът на топлопреминаване (k) през стените им трябва да бъде приблизително от 0,06 до 0,25 W/m2°С. За избягване на постоянното смесване на водни потоци с различна температура, в средата на акумулатора може да се вгради разпределителна тръба. По този начин се постига т.нар. термосифонен ефект. При него загрятата вода постъпва в акумулатора на различна височина в зависимост от температурата на акумулираната на това ниво вода. По този начин се удължава периодът на задоволяване на нуждите от топла вода, без да се налага включването на допълнителен източник на енергия. При големи инсталации акумулаторите се изработват от няколко съда, в които се съхранява вода с различна температура. Отделните съдове могат да бъдат свързани последователно, паралелно или по смесена схема.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top