Солнечный коллектор

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
Низкоуглеродистая энергия Углеродно-нейтральное топливо Поэтапный отказ от ископаемого топлива
Энергосбережение
Когенерация Эффективное использование энергии Хранилище энергии Зеленое здание Тепловой насос Микрогенерация
Возобновляемая энергия
Биоэнергетика Геотермальный Гидроэлектроэнергия Солнечная Приливный Волна Ветер
Экологичный транспорт
Электромобиль Зеленый автомобиль Подключаемый гибрид
Портал возобновляемой энергии  Портал окружающей среды
v т е

А солнечный коллектор собирает тепло от поглощения солнечного света . Термин «солнечный коллектор» обычно относится к устройству для солнечного нагрева горячей воды , но может относиться к крупным установкам, вырабатывающим энергию, таким как солнечные параболические желоба и солнечные башни, или к устройствам, не нагревающим воду, таким как солнечные воздухонагреватели . ^[1]

Солнечные тепловые коллекторы либо неконцентрирующие, либо концентрирующие. В неконцентрирующих коллекторах площадь апертуры (т. Е. Зона, которая принимает солнечное излучение ) примерно такая же, как и площадь поглотителя (т. Е. 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 рабочей жидкостью , часто водой или гликолем, протекающей по трубам, прикрепленным к пластине.

Коллекторы-концентраторы имеют отверстие гораздо большее, чем площадь поглотителя. Отверстие обычно имеет форму зеркала , которое фокусируется на поглотителе, которым в большинстве случаев являются трубы, по которым проходит рабочая 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 обогрева помещений , в то время как концентрирующие коллекторы на концентрированных солнечных электростанциях вырабатывают электричество за счет нагрева теплоносителя для привода турбины, соединенной с электрическим генератором . ^{[ необходима цитата ]}

Солнечные коллекторы для нагрева воды [ править ]

Плоские солнечные коллекторы и солнечные коллекторы с вакуумными трубками в основном используются для сбора тепла для отопления помещений, горячего водоснабжения или охлаждения с помощью абсорбционного чиллера . В отличие от солнечных панелей для горячего водоснабжения, они используют циркулирующую жидкость для отвода тепла в отдельный резервуар. Первый солнечный тепловой коллектор, разработанный для крыш зданий, был запатентован Уильямом Х. Геттлем и назван « Солнечный коллектор и радиатор для крыш зданий ». ^[3]

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

Коллекторы плоских пластин [ править ]

Плоские коллекторы - самая распространенная солнечная тепловая технология в Европе . ^[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. В качестве циркулирующей жидкости в тропическом и субтропическом климате обычно используется вода. В климате, где вероятно замерзание, жидкий теплоноситель, похожий на автомобильный антифриз.раствор можно использовать вместо воды или в смеси с водой. Если используется жидкий теплоноситель, обычно используется теплообменник для передачи тепла от жидкости солнечного коллектора в резервуар для хранения 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 конструкциях солнечных коллекторов с более высокими характеристиками прозрачная крышка представляет собой закаленное натриево-известковое стекло с пониженным содержанием оксида железа, как и в фотоэлектрических солнечных панелях . Стекло также может иметь точечный рисунок и одно или два антибликовых покрытия для дальнейшего повышения прозрачности . Покрытие поглотителя обычно представляет собой селективное покрытие, где селективность означает наличие особого оптического свойства, объединяющего высокое поглощение в видимой части электромагнитного спектра с низким коэффициентом излучения в инфракрасном . Это создаетселективная поверхность , которая снижает излучение энергии черного тела из поглотителя и улучшает характеристики. Трубопровод может быть приварен к листу абсорбера с помощью лазера или ультразвука, чтобы уменьшить повреждение селективного покрытия, которое обычно наносится перед соединением с большими рулонами в процессе прокатки рулона .

Абсорбер PIPING конфигурации включают в себя:

• арфа : традиционная конструкция с нижним стояком и верхним коллекторным патрубком, используется в термосифонных и насосных системах низкого давления ;
• змеевик : одна непрерывная s-образная труба, которая максимизирует температуру, но не общую выработку энергии в системах с переменным расходом, используется в компактных солнечных системах для горячего водоснабжения (без функции обогрева помещений);
• затопленный: состоит из двух листов металла, сформованных для создания широкой зоны циркуляции, улучшающей теплопередачу ;
• пограничный слой : состоит из нескольких слоев прозрачных и непрозрачных листов, которые обеспечивают 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. ^{[ необходима цитата ]}

Плоский пластинчатый коллектор, использующий сотовую структуру для уменьшения потерь тепла также и со стороны стекла, также стал доступным на рынке. Срок службы большинства плоских коллекторов составляет более 25 лет. ^{[ необходима цитата ]} .

Вакуумные трубчатые коллекторы [ править ]

Вакуумные трубчатые коллекторы - самая распространенная солнечная тепловая технология в Китае и в мире . ^{[6] В} них используется стеклянная трубка, которая окружает абсорбер высоким вакуумом и эффективно противостоит атмосферному давлению . Вакуум, окружающий поглотитель, значительно снижает потери тепла конвекцией и теплопроводностью , тем самым достигая большей эффективности 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 трубки или находиться в контакте с тепловой трубкой.попадание внутрь трубки. В последнем случае тепловые трубы передают тепло жидкости в теплообменнике, называемом «коллектор», расположенном поперек трубок. ^{[ необходима цитата ]} Коллектор обернут изоляцией ( стекловолокно ) и покрыт защитным металлическим или пластиковым корпусом, который 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 трубами или тепловыми трубками, образуя «ребра», и помещаются внутрь единой трубки из боросиликатного стекла . 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] Однако требуется герметичное стекло-металлическое уплотнение с высоким вакуумом 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.

Стеклянные вакуумные трубки состоят из двух трубок из боросиликатного стекла, соединенных вместе на одном или обоих концах (аналогично вакуумной бутылке или колбе 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. Кроме того, влага может проникнуть в неавакуумированную область внутри внутренней трубы и вызвать коррозию поглотителя, в частности, если он изготовлен из разнородных материалов ( гальваническая коррозия ).

Барий флэш - геттерный насос обычно испаряется внутри высокого вакуумного зазора между трубками , чтобы сохранить внутреннее стабильное давление во время.

Высокие температуры, которые могут возникнуть внутри вакуумированных трубок, могут потребовать специальной конструкции для предотвращения перегрева . Некоторые вакуумные трубчатые коллекторы работают как тепловой односторонний клапан благодаря своим тепловым трубкам. Это обеспечивает им максимальную рабочую температуру, которая 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 [ править ]

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, покрывающий только 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.

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 вакуумных трубок (особенно для новых вариантов со стеклометаллическими уплотнениями и тепловыми трубками) по-прежнему 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.

В большинстве климатических условий плоские пластинчатые коллекторы обычно более рентабельны, чем вакуумные трубы. ^[13]Тем не менее, 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 использоваться 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 [ править ]

Вакуумные плоские солнечные коллекторы обладают всеми преимуществами 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 производства. Их не следует путать с плоскими пластинчатыми коллекторами с низким вакуумом внутри. Первое использование коллектора решений высокой вакуумной изоляцией была разработана в ЦЕРН , ^[15] в то время как TVP SOLAR SA из Швейцарии была первой компанией коммерциализировать Solar KEYMARK сертифицированных коллекторов в 2012 году ^[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, и только материалы с низким давлением пара могут использоваться для предотвращения выделения газа . Технология стекло-металлического уплотнения может быть основана на металлизированном стекле ^[17] или на стекловидном металле ^[18] и определяет тип коллектора. В отличие от вакуумных трубчатых коллекторов, они используют насосы с неизвлекаемым газом (NEG) для поддержания внутреннего давления.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 [ править ]

Эти коллекторы являются альтернативой коллекционерам металла и теперь производятся в Европе. ^[20] Они могут быть полностью полимерными или могут включать металлические пластины перед морозостойкими водяными каналами из силиконового каучука . 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 низкой солнечной радиации.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 полипропилена составляет 160 ° C (320 ° F), а температура застоя изолированных тепловых коллекторов может превышать 180 ° C (356 ° F), если стратегии управления не используются. 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, не основанные на полипропиленовых полимерах, имеют матовое черное покрытие, а не выборочное покрытие для снижения температуры 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.^{[ необходима цитата ]}

Бассейн или неглазурованный коллектор - это простая форма плоского коллектора без прозрачной крышки. Обычно в качестве поглотителя используется полипропилен, каучук EPDM или силиконовый каучук. 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. ^{[ необходима цитата ]}

Коллекционеры чаш [ править ]

Солнечный шар представляет собой тип солнечного теплового коллектора , который работает подобно параболические антенны , но вместо того , чтобы использовать для отслеживания параболического зеркала с фиксированным приемником, он имеет фиксированное сферическое зеркало с приемником слежения. Это снижает эффективность, но удешевляет строительство и эксплуатацию. Дизайнеры называют это солнечной энергетической системой с фиксированным зеркалом и распределенным фокусом . Основная причина его разработки заключалась в том, чтобы исключить стоимость перемещения большого зеркала для отслеживания солнца, как в случае с параболическими антеннами. ^[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. Фиксированное 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). ^{[ необходима цитата ]}

Когда солнце движется по небу, апертура любого фиксированного коллектора изменяется. Это вызывает изменения в количестве улавливаемого солнечного света, вызывая так называемый 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. Приемник может состоять из трубок, по которым проходит жидкость для теплопередачи или фотоэлектрических элементов 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, штат Техас, в качестве экспериментального объекта. ^[23] Чаша имела диаметр 65 футов (20 м), наклонена под углом 15 ° для оптимизации соотношения затрат и урожайности (33 ° обеспечило бы максимальный выход). Обод полусферы был «обрезан» до 60 °, создавая максимальную апертуру в 3318 квадратных футов (308,3 м ² ). Эта пилотная чаша вырабатывала пиковую мощность 10 кВт. ^{[ необходима цитата ]}

Солнечная чаша в Ауровиле диаметром 15 метров (49 футов) была разработана в результате более раннего испытания 3,5-метровой (11 футов) чаши в 1979–1982 годах Институтом энергетических исследований Тата . Этот тест показал использование солнечной чаши для производства пара для приготовления пищи. Полномасштабный проект , чтобы построить солнечную миску и кухню побежала с 1996 года, и был в полном объеме к 2001 году ^{[ править ]}

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 [ править ]

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 экономически эффективными для предприятий с системами водяного отопления, которые дороги в эксплуатации, или для таких операций, 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 изготовлены из полипропилена и должны быть полностью осушены, чтобы избежать повреждения от замерзания, когда температура воздуха опускается ниже 44 ° F (7 ° C) в ясные ночи.ниже, чем температура в бассейне, 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 изготовлены из полипропилена и должны быть полностью осушены, чтобы избежать повреждения от замерзания, когда температура воздуха опускается ниже 44 ° F (7 ° C) в ясные ночи.ниже, чем температура в бассейне, 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 изготовлены из полипропилена и должны быть полностью осушены, чтобы избежать повреждения от замерзания, когда температура воздуха опускается ниже 44 ° F (7 ° C) 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. Солнечные системы с горячей водой требуют теплообменников из-за возможности загрязнения, а в случае неглазурованных коллекторов,перепад давления 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.как и водный центр Minoru в Ричмонде, Британская Колумбия, работают при более низких температурах, чем вакуумные трубы 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.как и водный центр Minoru в Ричмонде, Британская Колумбия, работают при более низких температурах, чем вакуумные трубы 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.все другие компоненты, включая вентилируемые резервуары для хранения и неизолированные пластиковые трубы из ПВХ, значительно снижают затраты на эту альтернативу по сравнению с типами коллекторов более высоких температур. 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.все другие компоненты, включая вентилируемые резервуары для хранения и неизолированные пластиковые трубы из ПВХ, значительно снижают стоимость этой альтернативы по сравнению с типами коллектора 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, так же как мы можем нагревать тепло от тепла с помощью высокотемпературных коллекторов.^{[ необходима цитата ]}

Солнечные коллекторы, нагревающие воздух [ править ]

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 тепловую энергию солнца и направляя воздух, контактирующий с ней. Простые и эффективные коллекторы могут быть изготовлены для различных систем кондиционирования воздуха и технологических процессов. ^{[ необходима цитата ]}

Во многих приложениях можно использовать технологии солнечного нагрева воздуха для уменьшения углеродного следа 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. ^{[ необходима цитата ]}

Отопление и вентиляция [ править ]

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. ^{[ необходима цитата ]}

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. ^{[ необходима цитата ]}

Технологический нагрев [ править ]

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. ^{[ необходима цитата ]}

Типы солнечных коллекторов воздушного отопления [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

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 поглощающую 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 [ править ]

Неглазурованные системы или системы вентилируемого воздуха использовались для нагрева подпиточного или вентиляционного воздуха в коммерческих, промышленных, сельскохозяйственных и технологических приложениях. Они состоят из пластины абсорбера, через которую проходит воздух, отводя тепло от абсорбера. 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.

Незастекленные солнечные коллекторы [ править ]

Фон [ править ]

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 того времени несколько тысяч просвечиваемых солнечных коллекторов были установлены в различных коммерческих, промышленных, институциональных, сельскохозяйственных и технологических приложениях в странах по всему миру. Изначально эта технология использовалась в основном в промышленных приложениях, таких как производственные и сборочные предприятия, где были высокие требования к вентиляции, многослойному потолочному отоплению,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 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 [ править ]

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.

Внешняя поверхность прозрачного солнечного коллектора состоит из тысяч крошечных микроперфораций, которые позволяют захватывать 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 установленные солнечные коллекторные системы снижают на 10-50% обычную тепловую нагрузку, и что RETScreen является точным предсказателем производительности системы. Просвечивающие солнечные коллекторы действуют как защита от дождя, а также улавливают потери тепла, 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.

Вариации просвечиваемых солнечных коллекторов [ править ]

Неглазурованные прозрачные коллекторы также могут быть установлены на крыше в тех случаях, когда нет подходящей южной стены или по другим архитектурным соображениям. Matrix Energy Inc. запатентовала монтируемый на крыше продукт под названием «Delta» - 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 могут быть настроены на двойной нагрев воздуха для повышения температуры подаваемого воздуха, что делает их пригодными для обогрева помещений, а также для обогрева вентиляционного воздуха. В 2-ступенчатой ​​системе первая ступень представляет собой типичный неглазурованный коллектор, а вторая ступень имеет остекление, закрывающее просвечиваемый коллектор. Остекление позволяет направлять весь нагретый воздух из первой ступени через вторую группу коллекторов для второй ступени солнечного нагрева.

Солнечные тепловые коллекторы, вырабатывающие электричество [ править ]

Параболические желоба , тарелки и башни, описанные в этом разделе, используются почти исключительно на солнечных электростанциях или в исследовательских целях. Параболические желоба используются в некоторых коммерческих солнечных системах кондиционирования воздуха . 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 угла приема , то есть для тех же общих допусков для системы. Приближение к теоретическому максимуму может быть достигнуто за счет использования более совершенных концентраторов на основе безобразующей оптики . ^[25]Солнечные тепловые коллекторы также могут использоваться вместе с фотоэлектрическими коллекторами для получения комбинированного тепла и электроэнергии. ^{[27] [28]}

Параболический желоб [ править ]

Этот тип коллектора обычно используется на солнечных электростанциях . Параболический отражатель в форме желоба используется для концентрации солнечного света на изолированной трубе (трубке Дьюара ) или тепловой трубе , помещенной в фокусную точку , содержащей хладагент, который передает тепло от коллекторов к котлам на электростанции.

Параболическая тарелка [ править ]

С параболическим тарельчатым коллектором одна или несколько параболических тарелок концентрируют солнечную энергию в одной точке фокусировки, подобно тому, как отражающий телескоп фокусирует звездный свет или тарельчатая антенна фокусирует радиоволны. Эта геометрия может использоваться в солнечных печах и солнечных электростанциях.

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 посудомоечных Стирлинге конструкций силовой установки, двигатель Стирлинга , соединенный с динамо помещаются в фокусе тарелки. Это поглощает сосредоточенную на нем энергию и преобразует ее в электричество.

Башня силы [ править ]

Силовая башня - это большая башня, окруженная отслеживающими зеркалами, называемыми гелиостатами . 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 с использованием традиционных методов, таких как паровая турбина или прямая высокотемпературная химическая реакция, такая как жидкая соль. ^[29] Благодаря 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 элементы . Концентрированный свет можно перенаправить в подходящее место черезволоконно-оптический кабель для освещения зданий. Накопление тепла для выработки электроэнергии в облачные и ночные условия может быть достигнуто, часто за счет подземного резервуара для хранения нагретых жидкостей. С хорошим эффектом были использованы расплавленные соли . Другие рабочие жидкости, такие как жидкие металлы, также были предложены из-за их превосходных тепловых свойств. ^[30]

Однако концентрирующие системы требуют отслеживания солнца, чтобы поддерживать фокусировку солнечного света на коллекторе. Они не могут обеспечить значительную мощность в условиях рассеянного света . 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 [ править ]

• 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.
• Solar Keymark: ^[32] Тепловые солнечные системы и компоненты. Сертификация серии EN 1297X более высокого уровня, которая включает посещение завода.
• Международный совет по кодам / Solar Rating & Certification Corporation: ^[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

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

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