Классификация солнечных коллекторов. Коллектор солнечной энергии
Сферический солнечный коллектор —
Дата публикации: 22 октября 2015
Источник: http://alternativenergy.ru/solnechnaya-energetika/990-sfericheskiy-solnechnyy-kollektor.html
В настоящее время в мировой практике для преобразования возобновляемой лучистой солнечной энергии широко используют гелиотехнические устройства. В частности, это солнечные коллекторы, которые непосредственно преобразуют лучистую энергию солнца в тепловую, пригодную для практического использования, чаще всего для горячего водоснабжения.
Как правило, они представляют собой плоские трубчатые коллекторы, которые устанавливают стационарно и ориентируют воспринимающую поверхность к югу с уклоном к горизонту, и угол его наклона зависит от широты данной местности. В связи с сезонным изменением траектории прохождения солнца по небосклону этот угол корректируют: летом уменьшают на 5–10°, в зимний период примерно на эту же величину увеличивают.
Однако такие механизмы, кроме того, что они кинематически чрезвычайно сложны, требуют для их привода в действие подвода дополнительной энергии. Поэтому подвижные плоские солнечные коллекторы, следящие за траекторией солнца, вследствие высокой стоимости и громоздкости не получили широкого практического применения, и в настоящее время используются, в основном, только стационарные коллекторы.
В Институте проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины разработана и запатентована серия принципиально новых по геометрической форме объёмных солнечных коллекторов. С целью снижения теплопотерь и повышения энергоэффективности разработана оптимальная конструкция сферического солнечного коллектора, представленная на рисунке 1.
Рис. 1. Конструкция сферического солнечного коллектора
Коллектор содержит теплоприёмник 1, который выполнен из навитой по сферической винтовой линии единой металлической трубки. Теплоприёмник 1 размещён внутри вакуумированной стеклянной сферы 2, состоящей из двух полусфер, герметично установленных в профильной прокладке 3 из вакуумной резины.
Внутри профильной прокладки 3 встроено вогнутое наружу сферическое зеркало 5 радиусом R, равным радиусу внутренней сферы теплоприёмника в виде шарового пояса высотой, равной высоте профильной прокладки.
Подводной и отводной патрубки теплоприёмника 1 герметично уплотнены во втулках 4 и также выполнены из вакуумной резины. Из внутренней полости сферы 2 откачан воздух со степенью вакуума, обычно достигаемой в промышленности. Сфера 2 с размещённым внутри теплоприёмником 1, профильной прокладкой 3 и втулками 4 установлена в двуплечном кронштейне 6.
Сферический солнечный коллектор функционирует следующим образом. На вход в подводящий патрубок теплоприёмника 1 подаётся холодный теплоноситель (например, техническая вода), который двигается по винтовой линии единой металлической трубки. Во время движения теплоноситель постоянно нагревается лучистой солнечной энергией, воздействующей через прозрачную сферу 2 на трубчатый теплоприёмник 1. При этом солнечные лучи от восхода до захода солнца постоянно воздействуют на половину наружной сферической поверхности теплоприёмника 1, а также проникают через промежутки между витками теплоприёмника и нагревают половину противоположных внутренних тыльных поверхностей трубных витков теплоприёмника 1.
Кроме того, солнечные лучи в течение всего светового дня, проникая между витками теплоприёмника 1, постоянно воздействуют на различные участки вогнутого наружу сферического зеркала 5. При этом они отражаются в направлении внутренних затенённых участков витков теплоприёмника 1, на внешнюю поверхность которых в данный момент эти лучи направлены.
После прохождения по винтовой линии теплоприёмника 1 горячий теплоноситель поступает на выход в отводящий патрубок (направление движения теплоносителя показано стрелками на рисунке 1) и затем направляется для дальнейшего потребления (бак-аккумулятор, отопление, горячее водоснабжение и т. п.). Вакуум в прозрачной сфере практически полностью исключает теплопотери в теплоприёмнике 1.
Необходимо отметить ряд преимуществ геометрии сферических солнечных коллекторов по сравнению с геометрией плоских. Сравнение проводилось при одинаковых общей длине и диаметре металлической трубки коллекторов.
Как правило, плоские солнечные коллекторы выполняются в виде отдельных вакуумированных стеклянных трубок, концентрически надетых и закреплённых на металлических трубках. Трубки одним концом входят в приёмный патрубок, другим – в выходной патрубок. В сферическом коллекторе вакуумируется стеклянная оболочка, состоящая из двух полусфер, внутри которых расположен сферический теплоприемник, выполненный из единой трубки.
Поскольку кривизна стеклянной сферы в десятки раз меньше кривизны стеклянных трубок, это снижает отражательную и повышает пропускательную способность сферы при воздействии солнечных лучей.
Сферическая форма не требует использования каких-либо дополнительных механизмов, чтобы следовать за движением солнца. Благодаря такой форме коллектор постоянно «следит» за ним, т. е. фактически одинаково воспринимает лучистую энергию солнца, когда оно проходит по небосводу на разной высоте и под разными углами азимута.
В сферическом коллекторе благодаря единому трубопроводу, выполненному в виде сферической винтовой линии, за счёт снижения местных сопротивлений и отсутствия входного и выходного патрубков гидравлическое сопротивление в 1,4–1,6 раза меньше, чем у плоского, выполненного в виде отдельных трубок.
Вес сферического коллектора в среднем в 2,5–3 раз меньше плоского. Площадь под установку сферического коллектора в среднем в 1,5–2,5 раз меньше, чем требуется площадь под монтаж плоского коллектора.
Расчёт количества солнечной энергии, воспринимаемой сферическим солнечным коллектором в течение одного дня, сводится к вычислению следующего интеграла:
Поверхность Г(t) представляет собой освещённую часть внешней поверхности трубки коллектора в момент времени t, так как в каждый момент времени данная поверхность сама себя затеняет от солнца. Интенсивность солнца I зависит от его высоты hs и представляет полную энергию, поступающую в единицу времени на единицу поверхности, обращённую непосредственно к солнцу.
На рисунке 2 представлена линейная аппроксимация зависимости интенсивности солнца от его высоты hs.
Рис. 2. Зависимость солнечной интенсивности от высоты солнца
Поскольку высота солнца зависит от времени суток и от дня в году, то отсюда получаем зависимость I(t) для каждого дня. В формуле (1) величина I(t)cosi – интенсивность солнечного излучения, падающего на горизонтальную поверхность под углом i к нормали в определённой точке этой поверхности. Значение угла i также зависит от времени.
Чтобы оптимально ориентировать сферический солнечный коллектор, необходимо произвести сравнение общего количества полученной им энергии для различных его положений относительно горизонта. Количество солнечной энергии, воспринимаемое коллектором за весь год, можно записать как:
где Q(d) вычисляется по формуле (1).
Ориентацию солнечного коллектора относительно горизонта будем определять величиной угла наклона α вертикальной оси коллектора к горизонту. Начало отсчёта этого угла α производится от северного направления (α = 0°) и заканчивается южным (α = 180°).
В результате вычисления интеграла (1) для различных значений d получим усреднённую по всем дням года величину площади освещённой части поверхности сферического коллектора. Её значение можно записать как S = B(α)⋅2πr0L, где B(α) – коэффициент, значение которого зависит от ориентации солнечного коллектора; r0 – внешний радиус трубки; L – её длина.
Если функцию Icosi усреднить по пространству и времени за один день величиной IC(d), то тогда интеграл (1) приближённо можно представить в следующем виде:
Ниже для двух отрезков изменения аргумента d функция IC(d) представлена в виде приближения полиномами четвёртой степени для следующих значений: внешнего радиуса трубки r0 = 0,006 м, радиуса сферы 0,15 м, количества витков 10, α = 90° и для географической широты местности (г. Харьков) ϕ = 50°
Таким образом, формула (3) с учётом приведенной полиномиальной аппроксимации подынтегральной функции даёт возможность вычислять количество энергии, принятой солнечным коллектором в течение определённого дня года. Вычислив сумму (2), имеем количество тепла, получаемого коллектором за год при вертикальной ориентации оси коллектора:
На рисунке 3 представлена зависимость количества тепловой энергии, накопленной солнечным коллектором за год, от угла наклона α. Расчёт проведен согласно формуле (2) с учётом аналогичной аппроксимации (3) для различных значений α.
Рис. 3. Зависимость количества солнечной энергии, накопленной сферическим коллектором за год,в зависимости от угла наклона α
Для возможности практического использования полученных результатов приведём приближённые выражения для величины Qα:
Оптимальное значение угла наклона сферического солнечного коллектора составляет αopt ≈ 135°, а приближение (4) даёт значение 133,97°.
В итоге определён оптимальный угол наклона сферического солнечного коллектора в зависимости от широты местности, на которой он установлен. Именно при таком угле наклона коллектора будет получено максимальное количество накопленной за год солнечной энергии.
А. И. Ценципер, О. Костиков, Н. А. Сафонов, Я. Н. Буштец«Пробл. машиностроения», 2015, Т. 18, № 3
altenergiya.ru
Классификация солнечных коллекторов
Так как солнечные коллекторы являются наиболее распространенными, приведем их общую классификацию.
Плоские
Плоский коллектор представляет собой конструкцию из элемента-абсорбера, который поглощает солнечное излучение; Прозрачного покрытия (обычно используется закаленное стекло с пониженным содержанием металла) и термоизолирующего слоя. Плоский солнечный коллектор способен нагревать воду до 190-200 градусов. Особое оптическое покрытие плоского коллектора в инфракрасном свете не излучает тепло, что значительно повышает его эффективность. В качестве абсорбера широко применяется листовая медь, отличающаяся хорошей теплопроводностью.
Вакуумные
Вакуумный коллектор имеет многослойное стеклянное покрытие. Тепловая труба вакуумного коллектора устроена, как термос. Это позволяет сохранять до 95% тепловой энергии. В нижней части трубки коллектора располагается жидкость, которая при нагревании превращается в пар. Поднимаясь в конденсатор, расположенный в верхней части трубки, пар конденсируется и передает в коллектор тепло (по законам физики).При условиях слабой освещенности этот вид коллекторов обладает большим КПД, чем плоские коллекторы.
Коллекторы-концентраторы
Коллектор-концентратор для концентрации солнечной энергии использует зеркальную поверхность, которая фокусирует свет с большой поверхности на меньшей поверхности абсорбера. Благодаря этому достигается достаточно высокая температура. В некоторых случаях излучение может концентрироваться в фокусной точке, в других случаях — вдоль тонкой фокальной линии. Для работы с концентраторами используются специальные следящие устройства, которые поворачивают его солнечному свету. Концентраторы позволяют нагревать до значительно более высоких температур, чем предыдущие виды, однако могут концентрировать лишь прямое излучение. В туманную и облачную погоду работа концентраторов затруднена. Концентраторы наиболее эффективны в пустынных регионах и близко к экватору и используются в основном в промышленности, вследствие их дороговизны. [4].
Преимущества и недостатки использования солнечной энергии
Преимущества использования солнечных батарей
1.Неиссякаемый источник энергии.
2.Бесплатная энергия, основным источником является Солнце.
3.Чистая энергия, не вносят вклад в глобальное потепление, кислотные дожди и смог, снижает вредные выбросы.
4.Использование для различных целей: транспортные средства, работающие на солнечной энергии.
5.Возобновляется.
6. Предоставляет возможность, использовать энергию в отдаленных районах.
7. Развитие новых технологий, позволяет нам хранить солнечную энергию в аккумуляторах.
8. Производится там, где потребляется.
9. Не используется топливо, следовательно, не способствуют амортизации транспорта и транспортировки топлива или радиоактивных отходов.
10. Энергия производится без вмешательства.
11. Минимальное обслуживание.
12. Сохраняет деньги на долгосрочной основе.
13. Оборудование просто в установке.
Недостатки использования солнечных батарей
1. Вам нужно большое количество солнечных панелей для производства электроэнергии необходима, большая площадь.
2. Высокая начальная стоимость солнечных панелей.
3. Выработка электроэнергии только в течение светового дня.
4. Зависит от климатических условий. [3]
studfiles.net
Коллектор солнечной энергии
Изобретение относится к гелиотехнике, а именно к установкам для преобразования солнечной энергии в тепловую, и может быть использовано для обеспечения объектов бытового и промышленного назначения горячей водой. Коллектор содержит внутреннюю стеклянную оболочку с прикрепленными к ней трубками для подвода и отвода жидкости и с нанесенным на ее наружную поверхность энергопоглощающим покрытием, помещенную во внешнюю оболочку, которая выполнена в виде плоского объема с полуцилиндрическими гранями по бокам. Внешняя оболочка снабжена симметрично расположенными продольными элементами, а внутренняя оболочка - разделительными стеклянными пластинами, которые выполнены в виде лабиринта. Внутренняя поверхность наружной оболочки выполнена зеркальной и с фронтальной стороны прозрачной для солнечных лучей, а с обратной - непрозрачной. Изобретение направлено на повышение КПД коллектора. 3 ил.
Изобретение относится к гелиотехнике, а именно к установкам для преобразования солнечной энергии в тепловую, и может быть использовано для обеспечения объектов бытового и промышленного назначения горячей водой.
Известны коллекторы солнечной энергии для нагрева жидкостей, в которых в качестве теплоизоляции используется вакуум (Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат, 1991, с.208).
Недостатками которых являются низкий КПД коллектора из-за неполного использования площади восприятия солнечной энергии.
Наиболее близким по технической сущности является коллектор солнечной энергии, содержащий внутреннюю стеклянную оболочку с установленными внутри нее трубками для подвода и отвода жидкости и с нанесенным на ее наружную поверхность энергопоглащающим покрытием, помещенную во внешнюю оболочку, выполненную в виде плоского объема с полуцилиндрическими гранями по бокам (пат. GВ №1575031, кл. F 24 J 3/02, за 1980 г.).
Недостатком данного коллектора является низкий КПД из-за невозможности использования всей площади солнечного коллектора.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения КПД солнечного коллектора за счет использования всей площади солнечного коллектора.
Для достижения этого технического результата в коллекторе солнечной энергии, содержащем внутреннюю стеклянную оболочку с установленными внутри нее трубками для подвода и отвода жидкости и с нанесенным на ее наружную поверхность энергопоглощающим покрытием, помещенную во внешнюю оболочку, выполненную в виде плоского объема с полуцилиндрическими гранями по бокам, внешняя оболочка снабжена симметрично расположенными продольными диэлектрическими элементами, а внутренняя оболочка снабжена разделительными стеклянными пластинами, выполненными в виде лабиринта, причем внутренняя поверхность наружной оболочки выполнена зеркальной и с фронтальной стороны прозрачной для солнечных лучей, а с обратной - непрозрачной.
Снабжение внешней оболочки симметрично расположенными продольными диэлектрическими элементами, а внутренней оболочки - разделительными стеклянными пластинами, выполненными в виде лабиринта, а также выполнение внутренней поверхности наружной оболочки зеркальной, а фронтальной стороны ее прозрачной для солнечных лучей и обратной - непрозрачной позволяет использовать всю площадь солнечного коллектора, а следовательно, КПД коллектора увеличивается.
Предлагаемый коллектор солнечной энергии иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 показана изометрия общего вида коллектора солнечной энергии.
На фиг.2 - вид сбоку по А-А фиг.1.
На фиг.3 - вид спереди, такой линией показан путь движения жидкости.
Коллектор солнечной энергии (фиг.1) содержит внутреннюю стеклянную оболочку 5 с установленными внутри нее стеклянными трубками 11 и 12 для подвода и отвода жидкости соответственно и с нанесенным на ее наружную поверхность энергопоглощающим покрытием 6, например, из нитридной окиси титана и кремния, имеющим высокую степень поглощения (коэффициент поглощения не менее 0,9) и низкую степень ИК измерения - не более 0,05. Внутренняя оболочка 5 помещена во внешнюю оболочку 1, которая выполнена в виде плоского объема с полуцилиндрическими гранями по бокам. Внутренняя оболочка 5 опирается о днище внешней оболочки 1 посредством пружинных опор 7, выполненных из металла и пластика, для предотвращения нарушения герметичности из-за термического расширения внутренней оболочки 5. На дно внешней оболочки 1 помещен геттер 4 для поглощения проникающих через наружные стенки легких газов типа водород, дейтерий, гелий и др., а между оболочками 1 и 5 расположена промежуточная емкость 8, образованная между внешней и внутренней оболочками. Внешняя оболочка 1 снабжена симметрично расположенными продольными диэлектрическими элементами 9, фиксирующими расстояние между гранями и предотвращающими разрушение плоских стеклянных граней оболочек при откачке воздуха (герметичного объема) по всей площади. Диэлектрические элементы 9 крепятся к граням и выполнены из того материала, что и оболочка. Внутренняя оболочка 5 снабжена разделительными стеклянными пластинами 10, выполненными в виде лабиринта и служащими одновременно и для повышения прочности оболочки 5.
Внутренняя поверхность внешней оболочки 1 выполнена зеркальной, фронтальная сторона 3 которой прозрачна для солнечных лучей, а обратная сторона 2 непрозрачна. Внешняя оболочка 1 и внутренняя оболочка 5 соединены в верхней части коллектора перемычкой 13 (фиг.2) и штенгелем 14 для создания вакуума. Герметичный объем, образованный между оболочками 1 и 5 откачивается до вакуума не менее 10-2 Па. В качестве рабочего тела кроме воды могут быть использованы другие жидкости и газы, а само рабочее тело может быть использовано как теплоноситель, передающий тепло другому телу, например, как в тепловой трубке (термосферы), так и для функционального нагрева (например, опреснительная установка).
Сборку коллектора осуществляют в следующей последовательности.
Полностью готовую внутреннюю оболочку 5 вставляют в готовую внешнюю оболочку 1 до упора в опору 7, после чего в месте стыковки двух оболочек 1 и 5 стеклянная перемычка 13 сплавляется, герметично соединяя оболочки. После чего через штенгель 14 создается вакуум, затем наконечник штенгеля запаивается и герметичное пространство между оболочками имеет вакуум не ниже 1-10-2 Па.
Коллектор солнечной энергии работает следующим образом.
Рабочее тело подается через трубку 11 (фиг.3) во внутреннюю оболочку 5, солнечные лучи проходят сквозь стекло внешней оболочки 1 и поглощаются покрытием 6 внутренней оболочки 5, часть лучей, отражаясь от обратной стороны 2, также поглощается покрытием 6 внутренней оболочки 5. Рабочее тело, циркулируя по лабиринту 10, нагревается по мере прохождения внутри оболочки 5 и поступает к трубке 12. Стеклянные оболочки 5 изготавливаются из стекла натриево-кальциевого силикатного состава либо боросиликатного.
Таким образом, предлагаемый коллектор позволяет использовать всю его площадь и тем повысить КПД солнечного коллектора.
В настоящее время проводятся опытно-промышленные испытания предлагаемого коллектора.
Коллектор солнечной энергии, содержащий внутреннюю стеклянную оболочку с прикрепленными к ней трубками для подвода и отвода жидкости и с нанесенным на ее наружную поверхность энергопоглощающим покрытием, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен внешней оболочкой, выполненной в виде плоского объема с полуцилиндрическими гранями по бокам и снабженной симметрично расположенными продольными элементами, в которую помещена внутренняя оболочка, при этом внутренняя оболочка снабжена разделительными стеклянными пластинами, выполненными в виде лабиринта, а внутренняя поверхность наружной оболочки выполнена зеркальной и с фронтальной стороны прозрачной для солнечных лучей, а с обратной – не прозрачной.
www.findpatent.ru
Сферический солнечный коллектор » Альтернативная энергетика. Альтернативные источники энергии. Альтернативная энергия
alternativenergy.ru
