Солнечный коллектор - Solar thermal collector

Система водяного отопления развернута на плоской крыше. Видно, что трубы, отводящие тепло, встроены в абсорбер, плоскую пластину, окрашенную в черный цвет. В этом примере тепло хранится в резервуаре над панелями.

Часть серии о
Устойчивая энергия
Обзор
Устойчивая энергия Углеродно-нейтральное топливо Поэтапный отказ от ископаемого топлива
Энергосбережение
Когенерация Эффективное использование энергии Хранилище энергии Зеленое здание Тепловой насос Низкоуглеродистая энергия Микрогенерация Пассивная солнечная конструкция здания
Возобновляемая энергия
Биотопливо Геотермальный Гидроэлектроэнергия Солнечная Приливный Волна Ветер
Экологичный транспорт
Электромобиль Зеленый автомобиль Подключаемый гибрид
Портал возобновляемой энергии  Портал окружающей среды

А солнечный тепловой коллектор собирает высокая температура к поглощающий Солнечный свет. Термин «солнечный коллектор» обычно относится к устройству для солнечное водяное отопление, но может относиться к крупным электростанциям, таким как солнечные параболические желоба и солнечные башни или нет воды нагревательные устройства, такие как солнечные воздухонагреватели.^[1]

Солнечные тепловые коллекторы либо неконцентрирующие, либо концентрирующие. В неконцентрирующих коллекторах площадь апертуры (т.е. солнечная радиация ) примерно такая же, как площадь поглотителя (то есть площадь, поглощающая излучение). Типичным примером такой системы является металлическая пластина, окрашенная в темный цвет для максимального поглощения солнечного света. Затем энергия собирается путем охлаждения пластины с помощью рабочая жидкость, часто вода или гликоль работает в трубах, прикрепленных к плите.

Коллекторы-концентраторы имеют отверстие гораздо большее, чем площадь поглотителя. Апертура обычно имеет форму зеркало это сосредоточено на абсорбере, которым в большинстве случаев являются трубы, несущие рабочую жидкость.^[2] Из-за движения солнца в течение дня концентрирующие коллекторы часто требуют какой-либо системы слежения за солнцем, и по этой причине их иногда называют «активными» коллекторами.

Неконцентрирующие коллекторы обычно используются в жилых и коммерческих зданиях для отопление помещений, концентрируя коллекторы в концентрированная солнечная энергия растения производят электричество путем нагревания жидкого теплоносителя для привода турбина подключен к электрический генератор.^{[нужна цитата ]}

Солнечные коллекторы для нагрева воды

Солнечные коллекторы с плоской пластиной и вакуумными трубками в основном используются для сбора тепла для отопления помещений, горячего водоснабжения или охлаждение с абсорбционный чиллер. В отличие от солнечных панелей для горячего водоснабжения, они используют циркулирующую жидкость для отвода тепла в отдельный резервуар. Первый солнечный тепловой коллектор, предназначенный для крыш зданий, был запатентован Уильямом Х. Геттлем и назван "Солнечный коллектор тепла и радиатор для крыши здания ".^[3]

Вакуумные плоские солнечные коллекторы являются более поздней инновацией и могут использоваться для солнечного тепла для промышленного охлаждения (SHIC) и Солнечное кондиционирование воздуха (SAC), где требуется температура выше 100 ° C (212 ° F).^[4][5] Эти неконцентрирующие коллекторы собирают как рассеянный, так и прямой свет и могут использовать пар вместо воды как жидкости.

Коллекторы плоские

Два плоских солнечных коллектора рядом

Плоские коллекторы являются наиболее распространенной солнечной тепловой технологией в Европа.^[6] Они состоят из (1) корпуса, содержащего (2) пластину поглотителя темного цвета с проходами для циркуляции жидкости, и (3) прозрачную крышку, позволяющую передавать солнечную энергию в корпус. Боковые стороны и задняя часть корпуса обычно изолированы, чтобы уменьшить потери тепла в окружающую среду. Жидкий теплоноситель циркулирует через проходы для жидкости абсорбера для отвода тепла от солнечного коллектора. Циркуляционная жидкость в тропическом и субтропическом климате обычно представляет собой воду. В климате, где вероятно замерзание, жидкий теплоноситель, подобный автомобильному антифриз раствор можно использовать вместо воды или в смеси с водой. Если используется жидкий теплоноситель, теплообменник обычно используется для передачи тепла от жидкости солнечного коллектора к резервуару для 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 абсорбирующего узла нанесено темное покрытие для увеличения поглощения солнечной энергии. Обычным абсорбирующим покрытием является черная эмалевая краска.

В более мощных конструкциях солнечных коллекторов прозрачная крышка закалена. натриево-известковое стекло уменьшив оксид железа содержание такое же, как для фотоэлектрические солнечные панели. Стекло также может иметь штриховка узор и один или два антибликовые покрытия для дальнейшего улучшения прозрачность. Покрытие абсорбера обычно представляет собой селективное покрытие, где селективный означает наличие особого оптического свойства для сочетания высоких поглощение в видимый часть электромагнитный спектр в сочетании с низким эмиссия в инфракрасный один. Это создает селективная поверхность, что снижает черное тело энергия выброс из поглотителя и улучшает производительность. Трубопровод может быть лазер или же УЗИ приварен к листу абсорбера, чтобы уменьшить повреждение селективного покрытия, которое обычно наносится перед присоединением к большим катушкам в рулонный процесс.

Абсорбер трубопровод конфигурации включают:

• арфа: традиционная конструкция с нижними стояками и верхней сборной трубой, используется при низком давлении термосифон и насосные системы;
• змеевик: одна непрерывная s-образная труба, максимально увеличивающая температура но не общий выход энергии в системах с переменным расходом, используемых в компактных солнечных системах для горячего водоснабжения (без роли отопления помещений);
• затопленный: состоящий из двух листов металла формованный для создания зоны широкой циркуляции, которая улучшает теплопередача;
• пограничный слой: состоит 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 для коллекторов, где поглощенное тепло проходит через материал, прежде чем накапливаться в циркулирующей жидкости.^{[нужна цитата ]}

Коллектор с плоской пластиной, использующий сотовая структура для уменьшения потерь тепла также со стороны стекла, также стало доступным на рынке. Срок службы большинства плоских коллекторов составляет более 25 лет.^{[нужна цитата ]}.

Вакуумные трубчатые коллекторы

Вакуумный трубчатый коллектор

Вакуумная трубка прямого потока

Вакуумная трубка с тепловой трубкой

Массив вакуумных трубчатых коллекторов на крыше

Вакуумные трубчатые коллекторы являются наиболее распространенной солнечной тепловой технологией в Китай и в Мир.^[6] Они используют стеклянная трубка окружить поглотитель высокий вакуум и эффективно сопротивляться атмосферное давление. Вакуум, окружающий абсорбер, значительно снижает конвекция и проводимость теплопотери, поэтому достигается большая эффективность преобразования энергии. Поглотитель может быть либо металлическим, как в случае плоских пластинчатых коллекторов, либо представлять собой вторую концентрическую стеклянную трубку («Sydney Tube»). Жидкий теплоноситель может входить и выходить из каждой трубы или контактировать с тепловая труба попадание внутрь трубки. В последнем случае тепловые трубы передают тепло жидкости в теплообменнике, называемом «коллектор», расположенном поперек труб.^{[нужна цитата ]} Коллектор обернут изоляцией (стекловата ) и покрыт защитным металл или же пластик футляр также используется для крепления к опорам.

Стеклометаллические вакуумные трубки изготавливаются с плоскими или изогнутыми металлическими абсорбирующими листами, такими же, как и у плоских пластин. Эти листы соединяются с трубы или тепловые трубки, чтобы сделать «ребра» и поместить внутрь единого боросиликатное стекло трубка. На внутреннюю и внешнюю поверхности такой трубки может быть нанесено антибликовое покрытие для улучшения прозрачности. Как селективное, так и антибликовое покрытие (внутренняя поверхность трубки) не разрушаются, пока не пропадет вакуум.^[7] Высокий вакуум стекло-металлическое уплотнение однако требуется на одной или обеих сторонах каждой откачиваемой трубки. Это уплотнение переключается между температурой окружающей среды и температуры жидкости каждый день работы коллектора и может со временем привести к сбоям.

Вакуумные трубки из стекла и стекла состоят из двух трубок из боросиликатного стекла, соединенных вместе на одном или обоих концах (аналогично вакуумная бутылка или колба Дьюара). Ребро абсорбера находится внутри внутренней трубы под атмосферным давлением. Стеклянные трубки имеют очень надежное уплотнение, но два слоя стекла уменьшают количество солнечного света, достигающего поглотителя. Селективное покрытие может быть нанесено на внутреннюю боросиликатную трубку (сторона высокого вакуума), чтобы избежать этого, но в этом случае тепло должно течь через плохо проводящее стекло внутренней трубки. Более того, влага может попасть в неавакуумированную область внутри внутренней трубки и вызвать поглотитель коррозия в частности, когда они сделаны из разнородных материалов (гальваническая коррозия ).

А Бариевый флэш-геттер насос обычно испаряется внутри зазора высокого вакуума между трубками, чтобы внутреннее давление оставалось стабильным во времени.

Высокие температуры, которые могут возникнуть внутри откачанных труб, могут потребовать специальной конструкции для предотвращения перегрев. Некоторые вакуумные трубчатые коллекторы работают как тепловой односторонний клапан за счет тепловых трубок. Это дает им врожденный максимум Рабочая Температура это действует как функция безопасности.^[8] Вакуумные трубчатые коллекторы также могут быть снабжены отражателями с низкой концентрацией в задней части трубок, реализующих коллектор CPC.^[9]

Сравнение плоских пластинчатых и вакуумных трубчатых коллекторов

Между сторонниками этих двух технологий существует давний спор. Отчасти это может быть связано со структурой вакуумированных трубчатых коллекторов, у которых есть прерывистая зона поглощения. Массив вакуумированных трубчатых коллекторов на крыше имеет пространство между отдельными трубками и вакуумный зазор между каждой трубой и ее поглотителем внутри, покрывая лишь часть монтажной площади на крыше. Если вакуумированные трубы сравниваются с плоскими коллекторами на основе занимаемой площади крыши (общая площадь), можно сделать другой вывод, чем при сравнении площадей поглотителя или отверстий. Последняя редакция стандарта ISO 9806^[10] заявляет, что эффективность солнечных тепловых коллекторов следует измерять в терминах общей площади, и это может способствовать использованию плоских пластин по сравнению с вакуумными трубчатыми коллекторами при прямом сравнении.

Множество эвакуированных плоских пластинчатых коллекторов рядом с компактными солнечными концентраторами

Сравнение выходной энергии (кВт.ч / день) плоского пластинчатого коллектора (синие линии; Термодинамика S42-P[сомнительный – обсуждать]; амортизатор 2,8 м2) и вакуумный трубчатый коллектор (зеленые линии; SunMaxx 20EVT[сомнительный – обсуждать]; амортизатор 3,1 м2. Данные получены из сертификационных документов SRCC в Интернете.[сомнительный – обсуждать] Tm-Ta = разница температуры 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 откачивающей трубкой. Это означает, что коллектор с плоской пластиной менее эффективен в производстве воды, температура которой превышает температуру окружающей среды более чем на 25 градусов Цельсия (то есть справа от красных отметок на графике).[сомнительный – обсуждать] Во-вторых, даже несмотря на то, что мощность обоих коллекторов сильно падает в облачных условиях (низкая инсоляция), коллектор с вакуумной трубкой дает значительно больше энергии в облачности, чем коллектор с плоской пластиной. Хотя многие факторы препятствуют экстраполяции от двух коллекторов к двум разным технологиям, выше, основные соотношения между их эффективностями остаются в силе.[сомнительный – обсуждать].

Полевое испытание [11] иллюстрирующие различия, обсуждаемые на рисунке слева. Коллектор с плоской пластиной и вакуумный трубчатый коллектор аналогичного размера были установлены на крыше рядом, каждый с насосом, контроллером и резервуаром для хранения. В течение дня регистрировались несколько переменных с кратковременным дождем и облачностью. Зеленая линия = солнечное излучение. Верхняя бордовая линия указывает температуру коллектора откачивающей трубки, при которой насос работает намного медленнее и даже останавливается примерно на 30 минут в прохладное время дня (слабое облучение), что указывает на медленный сбор тепла. Температура коллектора с плоской пластиной значительно упала в течение дня (нижняя фиолетовая линия), но снова начала меняться в течение дня, когда облучение увеличилось. Температура в резервуаре для воды системы откачивающих труб (темно-синий график) повысилась на 8 градусов Цельсия в течение дня, в то время как температура в системе с плоскими пластинами (светло-синий график) оставалась неизменной. Предоставлено ITS-solar.[11][сомнительный – обсуждать]

Плоские коллекторы обычно теряют больше тепла в окружающую среду, чем вакуумные трубки, потому что со стороны стекла нет изоляции. Вакуумные трубчатые коллекторы по своей природе имеют более низкое отношение поглотителя к общей площади (обычно на 60–80% меньше), чем плоские пластины, потому что трубы должны быть разнесены друг от друга. Хотя несколько европейских компаний производят вакуумные трубчатые коллекторы (в основном стеклометаллические), на рынке вакуумных труб преобладают производители из Китая, при этом некоторые компании имеют послужной список 15–30 лет и более. Нет однозначных доказательств того, что эти две конструкции отличаются долговременной надежностью. Однако технология вакуумированных трубок (особенно для новых вариантов со стеклометаллическими уплотнениями и тепловыми трубками) все еще должна продемонстрировать конкурентоспособный срок службы. Модульность вакуумированных трубок может быть выгодной с точки зрения расширяемости и обслуживания, например, если вакуум в одной трубке с тепловой трубкой теряется, ее можно легко заменить с минимальными усилиями.

Диаграмма, показывающая, что коллекторы с плоской пластиной превосходят вакуумированные трубы до температуры на 67 ° C (120 ° F) выше температуры окружающей среды и, заштрихованные серым цветом, являются нормальным рабочим диапазоном для солнечных систем горячего водоснабжения.^[12]

В большинстве климатических условий плоские пластинчатые коллекторы обычно более рентабельны, чем вакуумные трубы.^[13] Однако вакуумные трубчатые коллекторы 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 плавательных бассейнах. Неглазурованные коллекторы могут применяться в тропических или субтропических условиях, если необходимо нагреть воду для бытового потребления менее чем на 20 ° C (36 ° F) выше температуры окружающей среды. Вакуумные трубчатые коллекторы имеют меньшее аэродинамическое сопротивление, что позволяет упростить установку на крышах в ветреных местах. Зазоры между трубками могут позволить снегу падать через коллектор, сводя к минимуму потери производительности в некоторых снежных условиях, хотя недостаток тепла, излучаемого трубками, также может препятствовать эффективному сбросу скопившегося снега. Плоские коллекторы легче чистить. Другие свойства, такие как внешний вид и простота установки, более субъективны и их сложно сравнивать.

Вакуумные плоские коллекторы

Вакуумные плоские солнечные коллекторы обеспечивают все преимущества как плоских, так и вакуумных трубчатых коллекторов, объединенных вместе. Они окружают абсорбер из листового металла большой площади с высоким вакуумом внутри плоской оболочки из стекла и металла. Они предлагают наивысшую эффективность преобразования энергии среди всех неконцентрирующих солнечных коллекторов,^[14] но требуют сложной технологии для изготовления. Их не следует путать с плоскими пластинчатыми коллекторами с низким вакуумом внутри. Первый коллектор с высоковакуумной изоляцией был разработан в г. ЦЕРН,^[15] в то время как TVP SOLAR SA из Швейцарии была первой компанией, которая в 2012 году начала коммерциализацию сертифицированных коллекторов Solar Keymark.^[16]

Вакуумированные плоские солнечные коллекторы требуют как стекло-металлического уплотнения для соединения стеклянной пластины с остальной металлической оболочкой, так и внутренней конструкции для поддержки такой пластины против атмосферного давления. Поглотитель должен быть сегментирован или снабжен соответствующими отверстиями для размещения такой структуры. Соединение всех частей должно быть герметичным при высоком вакууме и только материалы с низким давление газа можно использовать для предотвращения дегазация. Технология стекло-металлического уплотнения может быть основана на металлизированном стекле.^[17] или остеклованный металл^[18] и определяет тип коллектора. В отличие от вакуумных трубчатых коллекторов, они используют не испаряющийся геттер (NEG) насосы для сохранения внутренней давление стабильно во времени. Преимущество этой технологии геттерного насоса заключается в обеспечении некоторой регенерации на месте под воздействием солнечного света. Вакуумные плоские солнечные коллекторы были изучены на предмет солнечного кондиционирования воздуха и сравнивались с компактными солнечными концентраторами.^[19]

Полимерные плоские коллекторы

Эти коллекторы являются альтернативой коллекционерам металла и теперь производятся в Европе.^[20] Они могут быть полностью полимер, или они могут включать металлические пластины перед морозостойкими водяными каналами, сделанными из резинка. Полимеры гибкие и, следовательно, устойчивы к замораживанию и могут использовать обычную воду вместо антифриза, так что они могут быть подключены непосредственно к существующим резервуарам для воды вместо необходимости использования теплообменников, которые снижают эффективность. При отказе от теплообменника температура не должна быть настолько высокой для включения циркуляционной системы, поэтому такие панели прямой циркуляции, полимерные или другие, могут быть более эффективными, особенно при низких температурах. солнечное излучение уровни. Некоторые ранние полимерные коллекторы с избирательным покрытием страдали от перегрева при изоляции, так как температура застоя может превышать температуру плавления полимера.^[21][22] Например, температура плавления полипропилен составляет 160 ° C (320 ° F), тогда как 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 селективным покрытием. Все чаще используются полимеры, такие как силиконы с высокими температурами (которые плавятся при температуре выше 250 ° C (482 ° F)). Некоторые застекленные солнечные коллекторы на основе неполипропиленового полимера имеют матовое черное покрытие, а не выборочное покрытие, чтобы снизить температуру застоя до 150 ° C (302 ° F) или ниже.

В областях, где возможно замерзание, морозостойкость (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 для повреждения от замерзания, поэтому, если они заполнены водой, их необходимо тщательно подключить к водопроводу, чтобы они полностью дренировались под действием силы тяжести, прежде чем ожидается замерзание. не трескается. Многие металлические коллекторы устанавливаются как часть системы герметичного теплообменника. Вместо того, чтобы пропускать питьевую воду непосредственно через коллекторы, используется смесь воды и антифриза, например пропиленгликоля. Жидкий теплообменник защищает от замораживания вплоть до локально определенной температуры риска, которая зависит от доли пропиленгликоля в смеси. Использование гликоля незначительно снижает теплопроводность воды, а добавление дополнительного теплообменника может снизить производительность системы при низкой освещенности.

Бассейн или неглазурованный коллектор - это простая форма плоского коллектора без прозрачной крышки. Обычно полипропилен или Резина EPDM или силиконовый каучук используется в качестве поглотителя. 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). По мере снижения температуры окружающей среды эти коллекторы становятся менее эффективными.

Сборщики чаш

А солнечная чаша это тип солнечного теплового коллектора, который работает аналогично параболическая тарелка, но вместо использования параболического зеркала слежения с фиксированным приемником оно имеет фиксированное сферическое зеркало с приемником слежения. Это снижает эффективность, но удешевляет строительство и эксплуатацию. Дизайнеры называют это фиксированная зеркальная система солнечной энергии с распределенным фокусом. Основной причиной его разработки было устранение затрат на перемещение большого зеркала для отслеживания солнца, как в случае с параболическими системами антенн.^[23]

Фиксированное параболическое зеркало создает изображение солнца различной формы, движущегося по небу. Только когда зеркало направлено прямо на солнце, свет фокусируется в одной точке. Вот почему параболические тарелки отслеживают солнце. Фиксированный сферическое зеркало фокусирует свет в одном и том же месте независимо от положения солнца. Однако свет не направлен в одну точку, а распространяется по линии от поверхности зеркала до половины радиуса (по линии, проходящей через центр сферы и солнце).

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

Когда солнце движется по небу, апертура любого фиксированного коллектора изменяется. Это вызывает изменения в количестве уловленного солнечного света, в результате чего возникает то, что называется синусовый эффект выходной мощности. Сторонники конструкции с солнечной чашей утверждают, что снижение общей выходной мощности по сравнению с параболическими зеркалами слежения компенсируется более низкой стоимостью системы.^[23]

Солнечный свет, сконцентрированный на фокальной линии сферического отражателя, собирается с помощью следящего приемника. Этот приемник повернут вокруг фокальной линии и обычно уравновешен. Ресивер может состоять из труб, по которым проходит жидкость для теплопередачи или фотоэлектрические элементы для прямого преобразования света в электричество.

Конструкция солнечного резервуара стала результатом проекта отдела электротехники Техасского технического университета, возглавляемого Эдвином О'Хэром, по разработке электростанции мощностью 5 МВт. Солнечная чаша была построена для города Кросбайтон, Техас в качестве пилотного объекта.^[23] Чаша имела диаметр 65 футов (20 м) с наклоном под углом 15 ° для оптимизации соотношения цена / производительность (33 ° обеспечило бы максимальный выход). Обод полусферы был «обрезан» до 60 °, создавая максимальную апертуру 3318 квадратных футов (308,3 м).²). Эта пилотная чаша вырабатывала пиковую мощность 10 кВт.^{[нужна цитата ]}

Ауровильская солнечная чаша диаметром 15 метров была разработана на основе более раннего испытания 3,5-метровой чаши в 1979–1982 гг. Институт энергетических исследований Тата. Этот тест показал использование солнечной чаши для производства пара для приготовления пищи. Полномасштабный проект по строительству солнечной чаши и кухни начался с 1996 года и был полностью введен в эксплуатацию к 2001 году.^{[нужна цитата ]}

В местах со средней доступной солнечной энергией плоские коллекторы имеют размер примерно от 1,2 до 2,4 квадратных дециметра на литр дневного потребления горячей воды.

Приложения

В основном эта технология 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, в которой потребность в горячей воде чрезмерна из-за частой стирки белья. Коммерческие приложения включают прачечные самообслуживания, автомойки, военные прачечные и заведения общественного питания. Эту технологию также можно использовать для обогрева помещений, если здание находится вне сети или если энергоснабжение часто отключается. Солнечные водонагревательные системы, скорее всего, будут рентабельными для предприятий с системами водяного отопления, которые дороги в эксплуатации, или с такими операциями, как прачечные или кухни, которые требуют большого количества горячей воды. Неглазурованные жидкостные коллекторы обычно используются для нагрева воды в плавательных бассейнах, но также могут применяться для предварительного нагрева воды в больших масштабах. Когда нагрузки велики по сравнению с доступной площадью коллектора, большая часть нагрева воды может выполняться при низкой температуре, ниже температуры плавательного бассейна, где неглазурованные коллекторы хорошо зарекомендовали себя на рынке как правильный выбор. Поскольку эти коллекторы не должны выдерживать высокие температуры, они могут использовать менее дорогие материалы, такие как пластик или резина. Многие неглазурованные коллекторы сделаны из полипропилена и должны быть полностью осушены, чтобы избежать повреждения от замерзания, когда температура воздуха опускается ниже 44 ° F в ясные ночи.^[24] Меньший, но растущий процент неглазурованных коллекторов являются гибкими, что означает, что они могут выдерживать замерзание воды внутри абсорбера. Проблема замерзания должна вызывать только заполненные водой трубопроводы и коллекторы в условиях сильного замерзания. Незастекленные солнечные системы горячего водоснабжения следует устанавливать так, чтобы «отводить» воду в накопительный бак, когда солнечного излучения недостаточно. При использовании неглазурованных систем нет проблем с тепловым ударом. Неглазурованные солнечные коллекторы, обычно используемые для обогрева плавательных бассейнов с первых дней существования солнечной энергии, нагревают воду в плавательных бассейнах напрямую, без необходимости использования антифриза или теплообменников. Для солнечных систем с горячей водой требуются теплообменники из-за возможности загрязнения, а в случае неглазурованных коллекторов - разницы давлений между рабочей жидкостью (вода) и нагрузкой (холодная городская вода под давлением). Крупномасштабные неглазурованные солнечные водонагреватели, такие как водонагреватель в аквацентре Minoru в Ричмонде, Британская Колумбия, работают при более низких температурах, чем вакуумные трубчатые или закрытые и застекленные коллекторные системы. Хотя для них требуются более крупные и дорогие теплообменники, все другие компоненты, включая вентилируемые резервуары для хранения и неизолированные пластиковые трубы из ПВХ, значительно снижают стоимость этой альтернативы по сравнению с типами коллекторов с более высокими температурами. Нагревая горячую воду, мы фактически нагреваем холодную воду в теплую и из тепла в горячую. Мы можем нагревать от холода до тепла с такой же эффективностью с помощью неглазурованных коллекторов, как мы можем нагревать тепло от тепла с помощью высокотемпературных коллекторов.

Солнечные коллекторы, нагревающие воздух

Простой солнечный воздушный коллектор состоит из абсорбирующего материала, иногда имеющего избирательную поверхность, для улавливания солнечного излучения и передачи этой тепловой энергии воздуху посредством теплопроводной передачи тепла. Этот нагретый воздух затем направляется в пространство здания или в производственную зону, где нагретый воздух используется для обогрева помещения или технологических нужд. Работая аналогично традиционной печи с принудительной подачей воздуха, солнечно-тепловые-воздушные системы вырабатывают тепло, циркулируя воздух по поверхности, собирающей энергию, поглощая солнечную тепловую энергию и направляя воздух, контактирующий 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 углеродный след от использования традиционных источников тепла, таких как ископаемое топливо, для создания устойчивых средств производства тепловой энергии. Такие области применения, как отопление помещений, продление сезона в теплицах, предварительный подогрев воздуха для вентиляции или технологическое тепло, могут быть решены с помощью устройств солнечного нагрева воздуха. В области «солнечной когенерации» солнечные тепловые технологии сочетаются с фотоэлектрическими элементами (PV) для повышения эффективности системы за счет отвода тепла от фотоэлектрических коллекторов, охлаждения фотоэлектрических панелей для улучшения их электрических характеристик при одновременном нагревании воздуха. для отопления помещений.

Отопление и вентиляция помещений

Отопление помещений для жилых и коммерческих помещений может осуществляться с помощью солнечных панелей для нагрева воздуха. Эта конфигурация работает путем забора воздуха из оболочки здания или из внешней среды и прохождения его через коллектор, где воздух нагревается за счет теплопроводности от поглотителя, а затем подается в жилое или рабочее пространство либо пассивными средствами, либо с помощью поклонник. Первопроходцем в создании такого типа систем был Джордж Лёф, построивший в 1945 году воздушную систему с солнечным обогревом для дома в Боулдере, штат Колорадо. Позже он установил гравийную подушку для хранения тепла.

В большинстве коммерческих, промышленных и институциональных зданий требуется вентиляция, свежий или свежий воздух, чтобы соответствовать требованиям норм. Всасывая воздух через правильно спроектированный неглазурованный воздухосборник или воздухонагреватель, свежий воздух, нагретый солнечными батареями, может снизить тепловую нагрузку в дневное время. В настоящее время устанавливаются многие приложения, в которых испарившийся коллектор предварительно нагревает свежий воздух, поступающий в вентилятор с рекуперацией тепла, чтобы сократить время оттаивания HRV. Чем выше вентиляция и температура, тем лучше срок окупаемости.

Технологический нагрев

Солнечное воздушное тепло также используется в технологических процессах, таких как сушка белья, сельскохозяйственных культур (например, чая, кукурузы, кофе) и других сферах сушки.Воздух, нагретый через солнечный коллектор, а затем пропущенный через среду, подлежащую сушке, может обеспечить эффективное средство для снижения содержания влаги в материале.

Типы солнечных коллекторов воздушного отопления

Коллекторы обычно классифицируются по методам воздуховодов на один из трех типов:

• проходные коллекторы
• передний проход
• обратный проход
• комбинированные коллекторы переднего и заднего прохода

Коллекторы также можно классифицировать по их внешней поверхности:

• застекленный
• неглазурованный

Коллектор проходного воздуха

Проходная конфигурация обеспечивает наивысшую эффективность среди всех солнечных технологий. Воздух, проходящий с одной стороны абсорбера, проходит через перфорированный материал и нагревается за счет проводящих свойств материала и конвективных свойств движущегося воздуха. У сквозных поглотителей наибольшая площадь поверхности, что обеспечивает относительно высокие скорости теплопроводности, но значительный перепад давления может потребовать большей мощности вентилятора, а ухудшение качества определенного материала поглотителя после многих лет воздействия солнечного излучения может дополнительно создать проблемы с качеством воздуха и производительностью. .

Задний, передний и комбинированный воздухосборник

В конфигурациях обратного, переднего и комбинированного типа воздух направляется либо на заднюю, либо на переднюю, либо на обе стороны абсорбера для нагрева от возврата к коллекторам приточных каналов. Хотя прохождение воздуха по обеим сторонам абсорбера обеспечит большую площадь поверхности для теплопроводной передачи тепла, проблемы с пылью (засорение) могут возникать из-за прохождения воздуха через переднюю сторону абсорбера, что снижает эффективность абсорбера из-за 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

Остекленные системы обычно имеют прозрачный верхний лист и изолированные боковые и задние панели для минимизации потерь тепла в окружающий воздух. Поглотительные плиты в современных панелях могут иметь поглощающая способность более 93%. Застекленные солнечные коллекторы (рециркуляционные типы, которые обычно используются для отопления помещений). Воздух обычно проходит через переднюю или заднюю часть абсорбирующей пластины, отводя тепло непосредственно от нее. Затем нагретый воздух можно распределять напрямую для таких целей, как обогрев и сушка помещений, или сохранять для дальнейшего использования. Окупаемость застекленных солнечных панелей воздушного отопления может составлять менее 9–15 лет в зависимости от заменяемого топлива.

Неглазурованные системы

Неглазурованные системы или системы вентилируемого воздуха использовались для нагрева подпиточного или вентиляционного воздуха в коммерческих, промышленных, сельскохозяйственных и технологических приложениях. Они состоят из пластины поглотителя, через которую проходит воздух, отводя тепло от поглотителя. Непрозрачные материалы для остекления дешевле и сокращают ожидаемые сроки окупаемости. Проходящие коллекторы считаются «неглазурованными», потому что их поверхности коллектора подвергаются воздействию элементов, часто непрозрачны и не герметичны.

Неглазурованные солнечные коллекторы

Фон

Термин «неглазурованный коллектор воздуха» относится к системе солнечного нагрева воздуха, которая состоит из металлического поглотителя без какого-либо стекла или остекления сверху. Самый распространенный тип неглазурованных коллекторов на рынке - это солнечный коллектор. Эти правительственные агентства тщательно контролируют технологию, и компания Natural Resources Canada разработала технико-экономическое обоснование RETScreen ™ для моделирования экономии энергии с помощью установленных солнечных коллекторов. С тех пор несколько тысяч просвечиваемых солнечных коллекторов было установлено в различных коммерческих, промышленных, институциональных, сельскохозяйственных и технологических приложениях в странах по всему миру. Первоначально эта технология использовалась в основном в промышленных приложениях, таких как производственные и сборочные предприятия, где были высокие требования к вентиляции, многослойный потолок тепла и часто отрицательное давление в здании. В связи с растущим стремлением к установке систем возобновляемой энергии в зданиях, теплопроводящие солнечные коллекторы теперь используются во всем жилом фонде из-за высокого производства энергии (до 750 пиковых тепловых ватт / квадратный метр), высокого преобразования солнечной энергии (до 90%) и более низкие капитальные затраты по сравнению с солнечными фотоэлектрическими батареями и солнечным водонагревателем.

Солнечное воздушное отопление - это гелиотермическая технология, в которой энергия солнца, солнечной инсоляции, улавливается поглощающей средой и используется для нагрева воздуха.

Солнечное воздушное отопление - это технология обогрева с использованием возобновляемых источников энергии, используемая для нагрева или кондиционирования воздуха в зданиях или технологических систем отопления. Как правило, это наиболее экономически эффективная из всех солнечных технологий, особенно в крупномасштабных приложениях, и она направлена ​​на максимальное использование энергии зданий в климатических условиях отопления, а именно на отопление помещений и промышленное технологическое отопление. Они либо глазированные, либо неглазурованные.

Метод работы

Воздухосборники без остекления нагревают окружающий (наружный) воздух вместо рециркулируемого воздуха в здании. Солнечные коллекторы с прозрачным светом обычно монтируются на стену, чтобы улавливать более низкий угол наклона солнца в зимние отопительные месяцы, а также отражать солнце от снега и обеспечивать их оптимальную производительность и окупаемость инвестиций при работе с расходом от 4 до 8 кубических футов в минуту на квадратный фут. (От 72 до 144 м3 / ч.м2) площади коллектора.

Наружная поверхность просвечиваемого солнечного коллектора состоит из тысяч крошечных микроперфораций, которые позволяют улавливать пограничный слой тепла и равномерно втягивать его в воздушную полость за внешними панелями. Этот нагретый вентиляционный воздух всасывается под отрицательным давлением в систему вентиляции здания, где затем распределяется обычными средствами или с помощью системы солнечных каналов.

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

На этом виде в разрезе показаны компоненты солнечного коллектора MatrixAir и воздушный поток. Нижний воздухозаборник снижает попадание нагретого воздуха в систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в летнее время.

Обширный мониторинг, проведенный Natural Resources Canada и NREL, показал, что проницаемые солнечные коллекторы снижают на 10-50% обычную тепловую нагрузку и что RETScreen является точным предсказателем производительности системы. Транспортированные солнечные коллекторы действуют как дождевой экран и улавливают тепло потери, выходящие из оболочки здания, которые собираются в воздушной полости коллектора и возвращаются в систему вентиляции. Солнечные системы воздушного отопления не требуют обслуживания, а ожидаемый срок службы составляет более 30 лет.

Варианты просвечиваемых солнечных коллекторов

Неглазурованные прозрачные коллекторы также могут быть установлены на крыше в тех случаях, когда нет подходящей южной стены или по другим архитектурным соображениям. Компания Matrix Energy Inc. запатентовала монтируемый на крыше продукт под названием «Дельта» - модульную солнечную систему воздушного отопления, устанавливаемую на крыше, где фасады, выходящие на юг, восток или запад, просто недоступны.

Каждый десятифутовый (3,05 м) модуль будет подавать 250 кубических футов в минуту (425 м3 / ч) предварительно нагретого свежего воздуха, что обычно обеспечивает ежегодную экономию энергии в размере 1100 кВтч (4 ГДж) в год. Этот уникальный двухступенчатый модульный коллектор, монтируемый на крыше, работает с эффективностью почти 90%, каждый модуль обеспечивает более 118 л / с предварительно нагретого воздуха на два квадратных метра коллектора. До семи коллекторов могут быть подключены последовательно в один ряд, без ограничения количества рядов, соединенных параллельно вдоль одного центрального канала, что обычно дает 4 кубических футы подогретого воздуха на квадратный фут доступной площади крыши. +

Транспортированные коллекторы можно настроить для двойного нагрева воздуха для повышения температуры подаваемого воздуха, что делает их пригодными для обогрева помещений, а также для обогрева вентиляционного воздуха. В двухступенчатой ​​системе первая ступень представляет собой типичный неглазурованный коллектор, а вторая ступень имеет остекление, покрывающее просвечиваемый коллектор. Остекление позволяет направлять весь нагретый воздух из первой ступени через вторую группу коллекторов для второй ступени солнечного нагрева.

Солнечные тепловые коллекторы, вырабатывающие электроэнергию

Параболические желоба, тарелки и башни, описанные в этом разделе, используются почти исключительно в солнечные электростанции или в исследовательских целях. Параболические желоба использовались в некоторых коммерческих солнечный кондиционер системы. Хотя эти солнечные концентраторы просты, они довольно далеки от теоретической максимальной концентрации.^[25][26] Например, концентрация параболического желоба составляет примерно 1/3 теоретического максимума для того же угол приема, то есть для тех же общих допусков для системы. Приближения к теоретическому максимуму можно достичь, используя более совершенные концентраторы на основе не отображающая оптика.^[25] Солнечные тепловые коллекторы также могут использоваться вместе с фотоэлектрическими коллекторами для получения комбинированного тепла и электроэнергии.^[27][28]

Параболический желоб

Параболический желоб

Этот тип коллектора обычно используется в солнечная энергия растения. Желобовидной формы параболический отражатель используется для концентрации солнечного света на изолированной трубке (Трубка Дьюара ) или же тепловая труба, размещенный в координационный центр, содержащий охлаждающая жидкость который передает тепло от коллекторов к котлы в электростанции.

Параболическая тарелка

Солнечная параболическая тарелка

С параболическим тарелочным коллектором один или несколько параболический посуда концентрирует солнечную энергию в одном фокусе, подобно тому, как отражающий телескоп фокусирует звездный свет, или тарелочная антенна фокусирует радиоволны. Эта геометрия может использоваться в солнечные печи и солнечные электростанции.

Форма параболы означает, что падающие световые лучи, параллельные оси тарелки, будут отражаться в сторону фокуса, независимо от того, куда они попадают. Свет от Солнца достигает поверхности Земли почти полностью параллельно, а тарелка выровнена по своей оси, направленной на Солнце, что позволяет почти всему входящему излучению отражаться к фокусной точке тарелки. Большинство потерь в таких коллекторах связано с дефектами 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 блюдо перемешивание проекты электростанций, а двигатель Стирлинга соединенный с динамо-машиной, помещается в фокус тарелки. Это поглощает сосредоточенную на нем энергию и преобразует ее в электричество.

Башня солнечной энергии

Башня силы

Силовая башня - это большая башня, окруженная отслеживающими зеркалами, называемая гелиостаты. Эти зеркала выравниваются и фокусируют солнечный свет на приемник наверху башни, а собранное тепло передается на электростанцию ​​внизу. Эта конструкция достигает очень высоких температур. Высокие температуры подходят для производства электроэнергии обычными методами, такими как паровая турбина или прямая высокотемпературная химическая реакция, такая как жидкая соль.^[29] За счет концентрации солнечного света современные системы могут получить лучшую эффективность, чем простые солнечные элементы. Большую площадь можно покрыть, используя относительно недорогие зеркала, а не дорогие. солнечные батареи. Концентрированный свет можно перенаправить в подходящее место через оптоволоконный кабель для таких целей, как освещение зданий. Накопление тепла для выработки энергии в облачные и ночные условия может быть достигнуто, часто за счет подземного резервуара для хранения нагретых жидкостей. Расплавленные соли были использованы с хорошим эффектом. Другие рабочие жидкости, такие как жидкие металлы, также были предложены из-за их превосходных тепловых свойств.^[30]

Однако концентрирующие системы требуют отслеживание солнца для сохранения фокусировки солнечного света на коллекторе. Они не могут обеспечить значительную мощность в рассеянный свет условия. Солнечные элементы могут обеспечивать некоторую мощность, даже если небо становится облачным, но выходная мощность концентрирующих систем резко падает в облачных условиях, поскольку рассеянный свет не может быть сконцентрирован.

Стандарты

• Методы испытаний ISO для солнечных коллекторов.^[31]
• EN 12975: Тепловые солнечные системы и компоненты. Солнечные коллекторы.
• EN 12976: Тепловые солнечные системы и компоненты. Системы заводского изготовления.
• EN 12977: Тепловые солнечные системы и компоненты. Системы на заказ.
• Солнечный ключ:^[32] Тепловые солнечные системы и компоненты. Сертификация серии EN 1297X более высокого уровня, которая включает посещение завода.
• Совет Международного кодекса / Корпорация по оценке и сертификации солнечной энергии:^[33] Испытания проводятся независимыми лабораториями и обычно включают выбор коллектора для тестирования из группы образцов, состоящей как минимум из шести солнечных коллекторов.
• ICC 901 / ICC-SRCC ™ 100: Стандартный солнечный тепловой коллектор
• ICC 900 / ICC-SRCC ™ 300: Стандарт солнечной тепловой системы
• ICC 902 / APSP 902 / ICC-SRCC ™ 400: стандартная солнечная система обогрева бассейна и спа

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

• Канадские правительственные рейтинги солнечных коллекторов
• Crosbyton Inventory of Records
• Возможность использования фотоэлементов на солнечной чаше с фиксированным зеркалом и распределенным фокусом