Селективное покрытие для солнечных коллекторов. Высокоселективные солнечные коллекторы
Селективная краска для солнечных коллекторов, как сделать покрытие своими руками
Важнейшей частью любого коллектора – плоского, вакуумного, воздушного – является абсорбер. Именно абсорбер преобразует энергию солнечного излучения в энергию тепловую. В плоских водяных и в воздушных коллекторах абсорбер в общем случае представляет собой металлический лист, покрашенный в черный цвет селективной краской для солнечных коллекторов. Причем в воздушном коллекторе абсорбер может быть выполнен с ребрами для увеличения площади нагреваемой поверхности. В вакуумных коллекторах абсорберы представляют собой тонкие пластины в вакуумных трубках. В плоских водяных и в вакуумных коллекторах абсорберы передают накопленное тепло теплоносителю. В воздушных коллекторах просто нагревают до высокой температуры воздух, находящийся в коллекторе. Но в любом случае важнейшую роль в процессе нагрева играет покрытие абсорбера.
Черный цвет - черному цвету рознь
Некоторые умельцы наносят селективное покрытие для солнечных коллекторов своими руками, наивно полагая, что, покрасив металлический лист черной краской, они решат все проблемы. Но черная краска бывает разная. И как эффективно будет работать коллектор, в огромной степени зависит от того, какой именно краской покрыт абсорбер. Дело в том, что черные краски различных составов по-разному реагируют на солнечный свет. Какая-то часть солнечной энергии поглощается, а какая-то отдается в виде теплового излучения, а результирующая эффективность будет очень низкой. Так, например, эффективность абсорбера, покрытого обычной черной краской, составляет всего 11%, в то время, как при покрытии другими типами красок эффективность может превышать 90%. Кроме того, обычные черные краски не обладают термостойкостью и при длительном нагревании начинают слоиться, отставать от основы.
Как работают различные покрытия
Главных показателей, которые характеризуют ту или иную черную краску для покрытия абсорбера, всего два. Это, во-первых, способность поглощения солнечной энергии и, во-вторых, способность покрытия поверхности к излучению энергии в длинноволновом диапазоне. Чем выше первый показатель и ниже второй, тем эффективнее покрытие. Так, например, два слоя покрытия «Черный никель» поверх гальванопокрытия из никеля на мягкой стали (согласно технологии деталь была погружена на шесть часов в кипящую воду) показали способность поглощения, равную 0.94. При этом способность излучения составила всего 0.07. Или «Черный никель», содержащий окиси и сульфиды никеля и цинка, нанесенный на полированный никель, имеет способность поглощения, равную 0.910, при способности излучения 0.11.
Новые составы, новые методы получения высокоэффективных абсорберов
Над поиском составов термостойких красок, способных по максимуму поглощать солнечную энергию, работают многие ученые. В Германии в 1980 году доктор Вольфганг Цезиаль и инженер Густав Кроз получили патент на «Способ получения селективно поглощающих площадей поверхности для солнечных коллекторов и устройство для реализации этого способа». Их работа получила дальнейшее развитие и была подкреплена патентами, полученными в 1998 и в 2001 годах. Целью этих и других аналогичных разработок являются, во-первых, достижение высокой степени поглощения, а следовательно, и высокой степени конверсии падающего солнечного света в полезное тепло, а во-вторых, достижение минимальной излучательной способности, то есть низкое тепловое излучение.
Для изготовления высокоэффективных абсорберов с нанесенным покрытием разрабатываются специальные технологии получения селективных красок и методы их нанесения на поверхности абсорберов, которые, к тому же, могут изготавливаться из различных материалов. К концу девяностых годов прошлого века это были, в основном, гальванически нанесенные слои так называемых «черного хрома» или «черного никеля». При этом были получены достаточно обнадеживающие результаты для указанных покрытий, а именно качество поглощения до 96%, процент излучения около 10%. Это были очень хорошие показатели.
Разработанные в середине девяностых годов в Германии методы нанесения селективного покрытия использовали процесс вакуумного напыления на основу. Были проведены эксперименты с нанесением на медную основу титаново-оксинитридных, а также керамических покрытий. Позднее были проведены эксперименты с алюминиевыми листами. Эти покрытия при контрольных замерах показали значение поглощения солнечного излучения, превышающее 95%, а значение излучательной способности - в пределах от 3% до 5%. Но, несмотря на такие высокие показатели, которые были получены для «Черного никеля» и «Черного хрома», эти покрытия не нашли применения на европейском рынке, так как при производстве этих напылений происходило довольно заметное загрязнение окружающей среды от использования гальваники в производственном процессе. Та же участь постигла и разработанное в США селективное покрытие «Черный кристалл».
Селективные покрытия в домашних условиях
Прежде чем решиться на самостоятельное нанесение селективного покрытия на абсорбер, нужно тщательно изучить характеристики доступных покрытий и взвесить свои возможности. Если вас что-то не устраивает, лучше отказаться от этой идеи и купить уже готовые коллекторы. Способов нанесения покрытий достаточно много, но не все они могут подойти. Например, некоторые умельцы, не вдаваясь в детали, просто покрывают металлический лист обычной черной краской только потому, что эта краска, во-первых, черная, а во-вторых, дешевая. Но такая краска принесет мало пользы, так как она не термостойкая, а при высыхании становится еще неплохим теплоизолятором. Черная матовая автомобильная краска обладает достаточно неплохим светопоглощением, достигающим 70%. Недостатком этой краски является слабая термостойкость.
Лакокрасочной промышленностью выпускаются черные матовые краски, обладающие повышенной термостойкостью. Такими красками покрывают грили, мангалы, изготавливаемые различными фирмами. Эти краски могут быть как в банках, так и в аэрозольной упаковке. Предпочтительнее, конечно, краски в аэрозольной упаковке, так как в этом случае можно нанести селективное покрытие, не превышающее нескольких микрон по толщине. При покупке нужно особо обращать внимание на способ нанесения покрытия, так как применение некоторых видов красок требует предварительной обработки поверхности, на которую они будут наноситься. В некоторых случаях требуется антикоррозийная обработка поверхности, а в некоторых случаях и кислотная грунтовка.
Краска Iliolac
В настоящее время наибольшей популярностью для нанесения селективного покрытия пользуется краска «Iliolac» («Илиолак») производства греческой компании Stancolac. Производители утверждают, что эта краска обладает поглощающей способностью, равной 99%. Краска эта выпускается в баночной фасовке, поэтому для нанесения ее на поверхность абсорбера лучше пользоваться краскопультом, чтобы получить слой не толще пятидесяти микрон.
Селективная пленка в рулонах
И, наконец, для покрытия абсорбера можно использовать селективную пленку. Эта тонкая термостойкая пленка, выпускаемая в рулонах, наклеивается на предварительно обезжиренную и очищенную поверхность абсорбера. Пленка эта представляет собой медную или алюминиевую фольгу с готовым селективным покрытием, нанесенным на нее методом вакуумного напыления.
Особых сложностей в нанесении селективных покрытий нет, и если вы решились сделать солнечные коллекторы своими руками, то добротно выполненное устройство будет работать ничуть не хуже своего промышленного собрата.
Селективное покрытие для солнечных коллекторов: виды и типы работы.
Речь в этой статье пойдёт не столько о самом коллекторе, как о селективном покрытии для солнечного коллектора. Что это вообще такое, зачем применяется и как сделать своими руками селективное нанесение.
Для чего применяется селективное покрытие?
Слой такого типа в солнечных батареях является едва ли не самым важным элементом в системе. Смысл в том, чтобы поглощать как можно больше солнечного света, излучения. Такое покрытие не только притягивает полный спектр освещения, но и превращает в тепло и помогает делать это более эффективно. Название селективного покрытия происходит из того смысла, что правильный состав напыления или нанесения, позволяет накапливать и поглощать тепло, прямо как это делают в солнечной панели специальные диоды.
Как правило, химикат для нанесения селективного покрытия купить можно плюс-минус за 1$ на один квадратный метр. в общем-то такую процедуру увеличения КПД солнечного коллектора можно проделать самому, своими руками. Но важно знать как. Если правильно подойти к делу, можно не только сэкономить средства, но и добиться большего толка от вашей системы нагрева теплоносителя.
Селективное покрытия для солнечного коллектора — как сделать своими руками?
Во-первых давайте разберёмся что такое коэффициент селективности. По сути это соотношение поглощённой энергии и отданной энергии солнца. Именно этот показатель важен при выборе готовой продукции для нанесения селективного покрытия. Что можно выбрать в качестве такого покрытия:
- Готовый специальный химикат, который продаётся в соответствующих магазинах
- Оксиды различных металлов
- Специальный утеплительный тонкий материал
- Можно просто покрасить принимающую поверхность чёрной краской(матовой) или накрыть чёрной плёнкой или просто использовать газовую сажу. Но толку от такого нанесения будет в разы меньше, чем от специального напыления
- Также есть специальная селективная краска для солнечных коллекторов
- Специальное селективное покрытие с антиконвекционным эффектом. Такое нанесение уменьшает конвективную теплоотдачу. Для того чтобы покрытие подобного типа работало на максимум, необходимо подготовить поверхность, отполировать её и выготовить таким образом, чтобы она хорошо отражала солнечные лучи.
Как бы там ни было, при выборе материала покрытия необходимо учитывать коэффициент селективности: от 8,5 до 16. Селективное покрытие для солнечных коллекторов обладает и другими параметрами, но этот один из самых важных.
солнечный коллекторwww.solnpanels.com
2.7. Плоские солнечные коллекторы
Плоский солнечный коллектор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет солнечной энергии. Область применения плоских солнечных коллекторов - системы отопления жилых и производственных зданий, горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом. Основными элементами плоского солнечного коллектора (рис.10) являются:
Оптический КПД ηо показывает, какая часть солнечной радиации, достигающая поверхности остекленения коллектора, оказывается поглощенной абсорбирующей излучение черной поверхностью, и учитывает потери энергии, связанные с поглощением в стекле, отражением и отличаем теплового коэффициента теплового излучения абсорбирующей поверхности от единицы.
Кроме этих потерь, в коллекторе любой конструкции присутствуют потери теплоты в окружающую среду QПOT, которые учитываются его тепловым КПД. Тепловой КПД равен отношению количества полезной теплоты Qпол, отведенной от коллектора за определенное время, к количеству энергии, поступающей к нему от Солнца за то же время.
2.8. Вакуумные коллекторы
Плоские солнечные коллекторы имеют при повышенных температурах сравнительно большой полный коэффициент потерь и низкий тепловой КПД. В силу этого обычно их используют в системах, где уровень нагрева теплоносителя не превышает 50 - 80◦С. В том случае, если необходим нагрев до более высоких температур, используют вакуумные коллекторы. В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощая солнечное излучение, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет практически полностью устранить потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции.
Потери на излучение в значительной степени подавляются за счет применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до более высоких температур (120 - 150 ◦С), чем в плоском коллекторе. На рис.11 показаны примеры конструктивного выполнения вакуумных коллекторов.
2.9. Селективные покрытия
Эффективность работы гелиоэнергетических установок во многом зависит от оптических свойств поверхности, поглощающей солнечное излучение. Для сведения к минимуму потерь энергии необходимо, чтобы в видимой и ближней инфракрасных областях солнечного спектра коэффициент поглощения этой поверхности был как можно ближе к единице, а в области длин волн собственного теплового излучения поверхности к единице должен, стремиться коэффициент отражения.
Наибольшее распространение получили двухслойные селективные покрытия. На поверхность, которой необходимо придать селективные свойства, наносится слой с большим коэффициентом отражения в длинноволновой области спектра, например медь, никель, молибден, серебро, алюминий. Поверх этого слоя наносится слой прозрачной длинноволновой области, но имеющий высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней ИК-областях спектра. Такими свойствами обладают многие окислы. Простейший пример получения двухслойной селективной поверхности - окисление поверхности металла. Двухслойная селективная поверхность возможна также в «обратном» варианте, когда названные выше слои располагаются в обратном порядке: слой, отражающий длинноволновое излучение, - сверху, а слой, поглощающий видимую и ближнюю ИК-области спектра, - снизу. В этом случае верхний слой для видимой части спектра должен быть прозрачен.
Селективность поверхности может быть обеспечена за счет чисто геометрических факторов: неровности поверхности должны быть больше длины волны света в видимой и ближней ИК- областях спектра и меньше длины волны, соответствующей собственному излучению поверхности. Такая поверхность для первой из указанных областей спектра будет черной, а для второй - зеркальной.
Селективными свойствами обладают поверхности с дендритной или пористой структурой при соответствующих размерах дендритных игл или пор.
Интерференционные селективные поверхности образованы несколькими перемежающимися слоями металла и диэлектрика, в которых коротковолновое излучение гасится за счет интерференции, а длинноволновое - свободно отражается.
studfiles.net
Солнечные коллекторы: преимущества и недостатки
Существует несколько видов солнечных коллекторов. И хотя предназначение у них одно - использование солнечной энергии, они отличаются друг от друга не только внешними, но и техническими характеристиками.
Всю правду о солнечных коллекторах знают в Ассоциации Теплотехнических компаний Украины.
Открытые коллекторы
Открытые солнечные коллекторы представляют собой поверхность, выполненную из резины или пластика с высокими значениями коэффициента поглощения солнечных лучей и высокой стойкостью к действию ультрафиолетового излучения. Как следует из названия, в таких коллекторах теплопоглощающий слой не покрывается стеклом. Применяются почти исключительно в открытых гелиосистемах для нагрева воды в бассейнах.
Преимущества открытых коллекторов:
- возможность достижения высоких значений КПД-
- невысокая масса-
- простота конструкции-
- относительная дешевизна-
- простота монтажа.
Недостатки открытых коллекторов:
- большая зависимость КПД от разности температур-
- уязвимость к отрицательным температурам-
- ограниченное применение (только для бассейнов)-
- высокая зависимость от облачности и ветра-
- пониженный срок эксплуатации.
Географическое применение, как правило, ограничивается странами с теплым и солнечным климатом. Использование таких систем в Украине ограничивается преимущественно южным и юго-восточным регионами. Как правило, в отечественной практике для обогрева бассейна используется отдельный котельный агрегат, в основном навесного типа, работающий на газе. Использование системы с открытым солнечным коллектором позволит, с одной стороны, пользоваться открытым бассейном уже с конца марта, с другой – на 50 - 75 % уменьшить расход газа на подогрев бассейна.
Вакуумные коллекторы
Особенностью вакуумных коллекторов является использование в качестве эффективного теплоизолятора вакуума. Вакуум поддерживается между наружным покрытием из стекла и теплопоглощающим слоем. Благодаря вакууму минимизируются тепловые потери и резко снижается зависимость КПД коллектора от разности температур между температурой коллектора и температурой наружного воздуха. Конструктивно вакуумные коллекторы могут выполняться трубчатыми, из отдельных герметичных труб, и плоскими, в этом случае вакуум поддерживается при помощи специальных насосов. Наиболее распространенными являются трубчатые вакуумные коллекторы.
Для данных коллекторов характерен так называемый зеркальный эффект, благодаря которому уменьшается зависимость теплоотдачи коллектора от высоты солнца. Это способствует выравниванию тепловой мощности коллектора как в течение дня, так и в течение всего года, что является существенным преимуществом такого типа коллекторов.
Преимущества вакуумных коллекторов:
- высокий КПД в течение всего года-
- максимальный КПД в зимний период.
Недостатки вакуумных коллекторов:
- более высокая стоимость-
- больший вес и габаритные размеры в сравнении с другими типами коллекторов-
- пониженная эффективность работы в зимний период в климатических условиях Украины вследствие возможного образования инея и выпадения снега.
- низкая надежность: высокая подверженность градобитию, постепенное исчезновение вакуума в некоторых из трубок.
Вакуумные солнечные коллекторы являются высокотехнологичным и интересным в техническом отношении видом данной продукции. К сожалению, климатические условия нашей страны не всегда в полной мере позволяют реализовать их потенциал. Это касается негативного влияния снега и инея. Здесь следует иметь в виду, что вследствие отличных теплоизоляционных свойств вакуума, как снег так и иней могут держаться на коллекторах очень долго, длительное время после того как крыша здания полностью очистилась. Очевидно, что в эти периоды энергоотдача коллекторов практически снижается до нуля. Что касается уязвимости трубчатых коллекторов к граду, данная проблема имеет место, в первую очередь, в вакуумных коллекторах китайского производства, не всегда имеющих должное качество. То же можно сказать и о потере вакуума в трубках коллекторов.
Многие европейские производители имеют в своем модельном ряде вакуумные коллекторы с так называемой тепловой трубкой. При использовании данной конструкции, на поглотителе устанавливается тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью. Данная тепловая труба подсоединяется к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа «труба в трубе». Тепло передается поглотителем тепловой трубке, что приводит к испарению жидкости. Образующийся пар поступает в конденсатор. Так как нет связи между внешним контуром и испаряющейся жидкостью , то возможно производить замену одной или нескольких трубок при заполненной установке.
Можно рассчитывать на то, что со временем, по мере отработки технологии производства продукции, данные проблемы потеряют свою актуальность.
Плоские солнечные коллекторы
Плоские солнечные коллекторы являются наиболее распространенным типом солнечных коллекторов. Следует отметить, что в результате длительного совершенствования коллекторы данного типа, по всей видимости, практически достигли наиболее оптимальных показателей по эффективности, термину эксплуатации и стоимости.
Плоские солнечные коллекторы работают на основе парникового эффекта. Данный эффект основан на том, что солнечное излучение, падающее на поверхность солнечного коллектора, практически полностью пропускается стеклом.
Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спектральном интервале 0.4 мкм -1.8мкм, то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное или закаленное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95% . Расположенное в нижней части коллектора теплопоглощающее покрытие имеет коэффициент поглощения солнечного излучения до 90%. Нагреваясь, покрытие излучает тепловую энергию, основная мощность которого находится в инфракрасном диапазоне. Как видно из рисунка, данный спектр излучения уже практически не пропускается стеклом. образом, достигается аккумуляция солнечной энергии внутри коллектора. Передача теплоты к теплоносителю осуществляется при помощи конструктивных элементов, выполненных, как правило, из алюминия или меди. Отвод теплоты осуществляется теплоносителем – водой или раствором незамерзающей жидкости.
Кроме обычного стекла, в плоских солнечных коллекторах также может использоваться поликарбонат, стекло с низким содержание железа, хорошо пропускающее солнечные лучи, и ударопрочное стекло.
Важной характеристикой солнечных коллекторов является производство горячей воды с 1 кв. м поверхности. Для Украины, в летний солнечный день производительность плоских коллекторов может достигать 50 л воды, нагретой до 50 – 60 оС с 1 кв. м в день.
Преимущества плоских солнечных коллекторов:
- высокая эффективность-
- относительная простота конструкции-
- надежность-
- возможность эффективной эксплуатации на протяжении всего года-
- длительный срок эксплуатации.
Недостатки плоских солнечных коллекторов:
- более низкий КПД в сравнении с вакуумными коллекторами в периоды с низким уровнем солнечного излучения и в холодную часть года.
Плоский солнечный коллектор является технически достаточно простым устройством. Наиболее высокотехнологичным элементом в его конструкции является поглощающее покрытие. Очевидно, что для повышения эффективности работы конвектора необходимо, чтобы покрытие поглощало возможно большую часть энергии падающих солнечных лучей, а при нагреве излучало как можно меньшую часть поглощенной энергии в инфракрасном спектре.
Для оценки эффективности поглощающих покрытий применяются следующие показатели:
- коэффициент поглощения (абсорбации), а - обычно находится в пределах 0,8-0,98. Данный коэффициент представляет собой отношение поглощенной энергии к падающей-
- коэффициент излучения (эмиссии), e - обычно в пределах 0,95 - 0,02 для различных типов покрытий. Данный коэффициент представляет собой отношение излученной энергии к поглощенной-
- коэффициент селективности, a/e , применяется для сравнения характеристик различных видов поглощающих поверхностей. Чем выше значение данного коэффициента, тем лучшими характеристиками обладает поглощающая поверхность.
- Современные высокоселективные покрытия обладают очень высокими значениями коэффициента селективности, значительно повышая тем самым КПД солнечных коллекторов. К тому же, практически лишь коллекторы оснащенные покрытиями такого типа могут эффективно работать в холодный период года вследствие гораздо меньшей зависимости КПД от разницы температур.
Тепловая эффективность различных типов коллекторов
С целью наглядного сравнения характеристик тепловой эффективности различных типов коллекторов, приведем график КПД для трех рассмотренных типов коллекторов при мощности солнечного излучения в 600 Вт/кв. м.
Обозначения:
1 – вакуумный трубчатый коллектор
2 – плоский коллектор с селективным покрытием
3 – открытый коллектор
В настоящий момент, наиболее перспективными в условиях Украины являются плоские солнечные коллекторы горячего водоснабжения, вследствие всесезонности, простоты и надежности конструкции при невысокой цене в этом сегменте оборудования.
axk.com.ru
