3. Конструктивные исполнения гелиоколлекторов из сотовых панелей и их эффективность.
При использовании медных радиаторов с минимальной толщиной создаются довольно высокие градиенты температур, которые в интенсивных режимах могут существенно превосходить градиенты в стенках поликарбонатных панелей. Это объясняется тем, что тепловой поток в радиаторах передается к трубкам с теплоносителем вдоль тонкостенных пластин. При этом плотность теплового потока (Вт/м2) по сравнению с солнечным излучением увеличивается на несколько порядков. В абсорберах же из панелей тепловая энергия передается к теплоносителю по кратчайшему пути (по толщине оболочки) и при низкой плотности теплового потока. Эти различия оказываются достаточными, чтобы компенсировать различия в теплопроводности меди и поликарбоната.
На рисунке показаны основные компоновочные решения геликоллекторов (ГК) из поликарбонатных панелей.
На рис. 1 показан ГК, в котором теплоноситель протекает параллельными потоками по каналам панели. На переднюю стенку панели с теплоносителем нанесено поглощающее покрытие. Перед абсорбером расположена дополнительная панель для теплоизоляции.
В таком варианте компоновки возможно применение как неселективного, так и селективного покрытия. Как показано далее, характеристики ГК по варианту 1 с неселективным покрытием наиболее низкие из рассмотренных вариантов, он приведен в качестве базы для сравнения. Однако это вариант имеет и достоинства - конструктивная простота и низкая материалоемкость (стоимость). Количество оболочек в теплоизолирующей панели и их толщина определяется расчетом.
На приведенных рисунках для наглядности показано, что все каналы расположены в одном направлении. Практически каналы с теплоносителем должны быть расположены вертикально, а для теплоизолирующих каналов предпочтительной является горизонтальная ориентация - в плоскости эклиптики. То есть в многокамерных компоновках абсорбера предпочтительно применение пакета панелей, а не монопанель.
Использование селективного покрытия существенно повышает полезную мощность ГК. В настоящее время панели с селективным покрытием не выпускаются, однако, по предварительной оценке, учитывая имеющийся опыт по металлизации поликарбоната напылением, разработка такой технологии не представляет сложности. Покрытия могут наноситься как непосредственно на панель, так и на поликарбонатную пленку, которую можно закрепить клеем. Возможно также закрепление на передней поверхности абсорбера тонкого металлического листа (алюминиевой фольги) с селективным покрытием. Проблемы с разностью коэффициентов температурного расширения могут быть решены двумя путями: укладка фольги небольшими участками (паркет) или применением достаточно прочного клея. В последнем случае фольга может образовывать надрывы, которые не окажут существенного влияния на характеристики покрытия.
На рис. 2 показан ГК, у которого поглощающее неселективное покрытие нанесено на обратную сторону панели с теплоносителем. Это позволяет отодвинуть наиболее разогретую зону еще дальше от передней поверхности ГК, чтобы уменьшить потери. Разница полезной мощности между вариантами 1 и 2 невелика, однако в последнем случае открываются возможности для дополнительной теплоизоляции лицевой стороны панели. Поэтому такой вариант рассматривается как базовый для неселективного покрытия при сравнении с последующими вариантами. Здесь, в принципе, возможен вариант применения абсорбера из предварительно окрашенного поликарбоната с низким светопропусканием. Такой вариант несколько упрощает технологию изготовления (нет необходимости в покрытии), может обеспечивать практически полное поглощение солнечного излучения (более 99%). Необходимо также отметить, что применение селективного покрытия при такой компоновке ГК в принципе возможно, но не имеет смысла. Оболочка, контактирующая с покрытием (расположенная перед ним), за счет теплопроводности приобретет такую же температуру, как у покрытия. То есть будет излучать тепловую энергию так же, как неселективное покрытие. Таким образом, полезный эффект селективного покрытия будет практически сведен к нулю.
На рис. 3 показан ГК, в котором абсорбер выполнен из двухкамерной панели, а неселективное покрытие нанесено на заднюю стенку панели. При этом теплоноситель протекает в задней камере, а в передней может создаваться вакуум для улучшения теплоизоляции. Перед абсорбером установлена с зазором дополнительная панель. Для обеспечения необходимой теплоизоляции каждая из панелей может включать в себя любое количество камер согласно расчету. Во всех рассмотренных вариантах компоновки ГК соблюдается общее правило: при перемещении тепловой энергии от абсорбера каждая последующая зона должна обладать теплопроводностью не ниже, чем предыдущая. Так, например, в варианте 3 наиболее низкой теплопроводностью обладает вакуумированная зона. В воздушном зазоре теплопроводность выше. В камерах наружной панели теплопроводность еще выше за счет наличия ребер жесткости между оболочками. И наоборот: если, например, вакуумированный канал расположить возле наружной поверхности, то температура всех нижележащих оболочек практически сравняется с температурой абсорбера, потери за счет теплового излучения резко вырастут, а полезная мощность снизится. Как показано далее, компоновка по вар. 3 является одним из лучших вариантов теплоизоляции абсорбера. Перед использованием панелей с вакуумированными каналами необходимо учитывать два отрицательных момента:
- Панели обладают сравнительно низкой прочностью при действии наружного давления. Поэтому значения допустимого разрежения, ширина каналов, толщина оболочек могут достигать критичных значений, должны быть подтверждены расчетами и результатами испытаний. Желательно использовать панели с диагональными перемычками в каналах.
- Наличие перегородок между оболочками снижает эффективность вакуумирования каналов. Так, например, рассмотрим вариант, в котором ширина канала и толщина перегородки составляют, соответственно, 10 и 0.4 мм, а коэффициенты теплопроводности воздуха и пластмассы 0.03 и 0.5 Вт/мК. После снижения давления до 0.1 ата коэффициент теплопроводности воздуха снизится в 10 раз (до 0.003), а усредненный коэффициент примерно в 2 раза (до 0.023 Вт/мК).
- Это не критичные факторы, но, тем не менее, игнорировать их нельзя.
На рис. 4 показан ГК из монопанели, в которой поглощающее покрытие нанесено на заднюю стенку. При этом теплоноситель протекает в задней камере, а в передних камерах создан вакуум. В этом случае дополнительная передняя панель, которая применяется в остальных вариантах, не нужна. В отдельных случаях монопанель может заменяться пакетом панелей исходя из имеющихся на рынке типоразмеров. Такой прием позволяет собрать набор экранов более близкий к оптимальному. Следует отметить, что в настоящее время выпускаются даже 10-камерные панели толщиной 50 мм. Однако чрезмерное увеличение количества камер может дать отрицательный эффект. В этом случае максимум температуры может создаваться на одной из промежуточных перегородок, что является признаком избыточной теплоизоляции. Такая теплоизоляция больше препятствует поступлению излучения к абсорберу, чем уменьшает потери. Поэтому в выборе толщины панели (количества камер, толщины оболочек) нужно соблюдать разумную осторожность, основываясь на расчетах и результатах макетирования. ГК вар. 4 отличаются простотой и высокой жесткостью конструкции, компактностью. Таким образом, каждый из рассмотренных вариантов компоновок по отдельным характеристикам может превосходить остальные. Значимость этих характеристик зависит от условий, режимов эксплуатации и масштабов производства. Данные, приведенные в настоящей работе, облегчают выбор конкретной компоновки, обеспечивающей необходимые технические и экономические характеристики. Может также рассматриваться вопрос о создании модельного ряда ГК (по ценовым и эксплуатационным характеристикам, для эксплуатации в различных климатических условиях).
На рисунке приведены характеристики прототипов (имеющихся на рынке) по данным фирмы Sintec (Запорожье), а также расчетные характеристики пластиковых ГК с оптимизированной теплоизоляцией. В расчетах принята температура воздуха 0 градусов, коэффициент поглощения селективного покрытия 0.95/0.05, неселективного - 0.9, толщина наружных оболочек - не менее 0.5 мм. Масса пластиковых ГК в зависимости от исполнения составляет, как правило, 5-7 кг/кв.м.
Как показано на рисунке, расчетные характеристики ГК-1с несколько превосходят ГК с вакуумированными трубками при высоких температурах теплоносителя. Это можно объяснить следующими факторами:
- толщина вакуумного зазора в трубках примерно на порядок меньше воздушного зазора;
- средняя площадь теплопередачи в вакуумном зазоре значительно больше площади абсорбера;
- коэффициент излучения (толщина стенок) стеклянных трубок выше, чем пластиковых оболочек;
- площадь наружной поверхности трубок значительно больше площади абсорбера, что интенсифицирует процессы потерь тепловой энергии.
Пластиковый ГК с неселективным покрытием (ГК-4) также имеет ряд конструктивных отличий, позволяющих ему поднять значения КПД примерно до уровня плоского ГК с селективным покрытием.
Вот и все, если вкратце... Если это интересно, то мог бы еще подробно обсудить методику расчета, характеристики каждого исполнения ГК в деталях и другое... По заявкам.