Increasing the Efficiency of a Flat Solar Collector
Increasing the Efficiency of a Flat Solar Collector
Abstract
Energy saving is one of the five strategic areas of priority technological development of the Russian Federation. Research and technology development is one of the most important areas contributing to energy saving, in accordance with Federal Law No. 261-FZ of 23 November 2009, which creates a legal, economic and organizational mechanism to stimulate energy saving and efficiency, reducing capital and operating costs. One of the promising directions for solving such problem of reduction of consumption and rational use of traditional energy sources is application of renewable energy. The combined heat and power demand of the population and industry is extremely important. This is particularly critical for areas remote from district heating systems. At present, the reserves of traditional fossil fuels for these purposes are limited. This factor, as well as the global increase in energy consumption, calls for the study of renewable energy technologies (in this work, solar energy), as well as their introduction into modern heat supply systems.
The aim is to identify effective ways to increase the coefficient of efficiency of a solar collector (hereinafter "SC") and to present its new design
.The tasks that must be completed in order to achieve the objective:
- to analyse the different designs of flat SC;
- to select materials that increase the efficiency of the solar collector;
- to develop a technology for the practical implementation of a new flat SC design.
1. Введение
СК является основным оборудованием установки, преобразующим солнечное излучение в тепловую энергию. Наибольшее распространение получили плоские СК, достигшие хорошей эффективности, срока службы и стоимости.
За последние время было выпущено немало научных трудов, посвящённых исследованиям в области нетрадиционной энергетики. Анализ работ, представленных в , , , показал, что схемы СК, а также установки с солнечными коллекторами требуют более подробного изучения. Однако некоторые авторы рассматривают возможность повышения КПД не только оптимизируя процессы гибридных установок, но и путем конструктивного совершенствования СК.
Данное исследование достаточно актуально, так как предлагаемый солнечный коллектор может применяться в схемах теплоснабжения, как самостоятельный источник теплоты, а также в схемах гибридных установок совместно с тепловым насосом, обеспечивая микроклимат помещений не только теплотой, но и холодом. Эффективность, стабильность, эксплуатационные характеристики таких гибридных установок являются их основными преимуществами.
Основным элементом плоского СК является абсорбер (теплопоглотитель), изготавливаемый из металлов с высокой теплопроводностью – алюминий, сталь, медь, с расположенными под ним трубками для циркуляции теплоносителя. Над абсорбером расположена прозрачная изоляция из стекла или полимерного материала. Корпус СК, выполненный из алюминия, пластика или оцинкованного железа, качественно теплоизолированный внутри минеральной ватой .
Плоские СК работают по принципу парникового эффекта, который основан на том, что, падающее солнечное излучение почти полностью проходит через прозрачное покрытие, нагревая выше температуры окружающей среды теплоприемную поверхность и циркулирующий в трубках теплоноситель, который переносит тепловую энергию в аккумулирующий бак .
Преимущества: длительный срок эксплуатации; простота конструкции; надежность; высокая эффективность.
Недостаток: в холодный период года и в периоды низкой радиации наблюдается снижение КПД
Существует несколько способов повышения КПД солнечного коллектора.
Первый – использовать при изготовлении СК материалы с повышенными теплотехническими характеристиками:
1. Светопрозрачный слой – гелио-стекло, в котором за счет низкого содержания железа, светопроницаемость достигает 96-98%, но высокая стоимость этого материала повысит цену СК.
2. Лучепоглощающий лист – металлы с максимальными коэффициентами поглощения и теплопроводности, наиболее доступными являются медь (413 Вт/(м·К)) или алюминий (237 Вт/(м·К)) . Экономически целесообразнее использовать алюминий, который дополнительно покрывают абсорбирующим слоем черной краски, повышающим его коэффициент поглощения излучения (0,90-0,92).
3. В качестве лучепоглощающего слоя используют специальное селективное покрытие (0,96), которым может быть тонкий слой оксида металлов: меди, черного хрома, других металлов или полупроводниковых материалов, способствующий максимально возможному поглощению солнечной энергии, попадающей на абсорбер и препятствуя обратному излучению, чего нельзя сказать о черной краске.
4. Необходим надежный контакт лучепоглощающего листа с трубками СК, для лучшей теплопроводности, оказывающей значительное влияние на рабочие характеристики. Между ними не должно быть воздушной прослойки, которая повышает сопротивление теплопередаче данного соединения .
5. Рабочие трубки СК, в которых циркулирует нагреваемая рабочая среда, следует выполнять из меди, обеспечивающей высокий коэффициент теплопередачи.
6. Для уменьшения потерь теплоты и отражения инфракрасного излучения от нижней части и боковых стенок СК можно использовать фольгированный утеплитель .
Второй способ – изменение конструкции СК с целью повышения его тепловых и гидродинамических характеристик.
2. Основные результаты и обсуждения
Основываясь на теоретических данных, изучении практической реализации и определив основные пути повышения эффективности работы СК была разработана его новая конструкция, запатентованная как полезная модель №2021116342, «относящаяся к гелиотехнике со средствами концентрации солнечной энергии, и может быть использована в системах теплоснабжения зданий различного назначения» .
В новом СК обеспечен максимальный путь движения теплоносителя внутри трубок при минимальном гидравлическом сопротивлении. Конструктивные особенности полезной модели СК решают следующие функциональные задачи (см. рис. 1, 2, 3):
1. «тепловоспринимающие трубки направлены по спирали в одной плоскости» спиралевидная форма трубок увеличила путь движения теплоносителя, а поскольку у спирали отсутствуют углы, то гидравлические потери будут меньше;
Рисунок 1 - Солнечный коллектор вид спереди:
3 – стенки корпуса; 6 – первая; 7 – вторая и 8 – третья тепловоспринимающие трубки; 9 – вход теплоносителя; 10 – выход теплоносителя
Рисунок 2 - Поперечный разрез СК:
1 – корпус; 2 – теплоизоляция; 3 – стенки корпуса; 4 и 5 – отражающие слои; 6 – первая; 9 – вход теплоносителя; 10 – выход теплоносителя; 11 – лучепоглощающий лист; 12 – светопрозрачный слой
Рисунок 3 - Вид сзади СК:
3 – стенки корпуса; 9 – вход теплоносителя; 10 – выход теплоносителя
В качестве теплоносителя используют незамерзающую жидкость – пропиленгликоль из-за его безопасности и экологичности.
Представленный СК работает следующим образом: теплоноситель подаётся в распределитель 9 и поступает в медные трубки 6-8. Лучистая солнечная энергия через светопрозрачный слой 12 попадает на лучепоглощающий лист 11, существенно снижающий потери теплоты. В процессе принудительной циркуляции теплоносителя по трубкам 6-8, он нагревается и выводится через выходной сборник 10, поступая в бак-аккумулятор горячей воды.
Гидравлическое сопротивление потоку жидкости во всех медных трубках СК будет одинаковым независимо от их длины, так как потоки этого теплообменника являются гидравлически параллельными.
Для проведения гидравлических расчетов в тепловоспринимающих трубках воспользуемся методом гидравлических характеристик сопротивления, уравнение 1:
где ∆P – потеря давления на гидравлическом участке, Па;
S – гидравлическая характеристика сопротивления участка, Па/(кг/ч)2;
G – часовой расход теплоносителя, кг/ч.
Так как потоки являются гидравлически параллельными, а потери давления на участках первой 6 (), второй 7 (
) и третьей 8 (
) тепловоспринимающих трубок равны между собой, то зависимость гидравлических потерь между трубками выражается уравнением 2 и если подставить уравнение 1, то получим уравнение 3:
Гидравлическую характеристику сопротивления соответствующих участков труб вычисляем по формуле 4:
где А – коэффициент, равный для тепловоспринимающей трубки диаметром 10 мм, Па/(кг/ч2);
l – длина гидравлического участка трубопровода, м;
– отношение коэффициента сопротивления внутренней поверхности трубопровода к диаметру;
– сумма коэффициентов местных сопротивлений на гидравлическом участке трубопровода.
Задавшись расходом в первой тепловоспринимающей трубке (), можно рассчитать расходы теплоносителя в остальных тепловоспринимающих трубках по формуле 5, 6:
Результаты гидравлического расчета сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Гидравлическая характеристика сопротивления и расход на участке
Наименование величины | Трубка -1 | Трубка -2 | Трубка -3 |
А, Па/(кг/ч2) | 2,7∙10-4 | 2,7∙10-4 | 2,7∙10-4 |
l, м | 9,2 | 8,2 | 7,2 |
λ/d | 3,6 | 3,6 | 3,6 |
S, Па/(кг/ч)2 | 0,0098874 | 0,0089154 | 0,0079434 |
G, кг/ч | 288 | 303,29 | 321,31 |
ΔP, Па | 820 | 820 | 820 |
Данное техническое решение позволило разбить поток теплоносителя на три гидравлически параллельных участка, что в свою очередь снизило гидравлические потери по длине трубопровода и при этом увеличило время пребывания теплоносителя в трубках. Кроме того, появляется возможность повысить расход теплоносителя и скорость его движения при меньшей мощности насоса. Повышение расхода и скорости теплоносителя повысит коэффициент эффективности СК за счёт увеличения коэффициента теплоотдачи от трубы к жидкости.
Для сравнения рассмотрен «солнечный коллектор меандрообразной формы» (см. патент РФ № 112364, МПК F24J 2/24, опубликован 01.10.2012) . Выполнен сравнительный анализ конструктивных особенностей данного и нового СК.
При этом материалы элементов, диаметр тепловоспринимающих трубок, и площадь поверхности корпуса были приняты одинаковыми, результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Сравнительный анализ конструктивных характеристик двух типов СК
Конструкционная характеристика, ед. измерения | Меандрообразный СК | Новый СК |
Площадь апертуры, м2 | 1,099 | 1,098 |
Площадь, занятая тепловоспринимающими трубками, м2 | 0,12 | 0,244 |
Лучепоглощающая поверхность тепловоспринимающих трубок, м2 | 0,188 | 0,383 |
Длина тепловоспринимающих трубок, м | 12 | 24,4 |
Расстояние между осями тепловоспринимающих трубок, м | 0,03-0,1 | 0,04 |
Диаметр тепловоспринимающих трубок, мм | 10 | 10 |
Суммарные потери давления, Па | 5906 | 820 |
На основании таблицы 2 можно сделать следующие выводы о достоинствах нового СК:
1 – в два раза больше площадь, занятая тепловоспринимающими трубками;
2 – более чем в два раза больше лучепоглощающая поверхность тепловоспринимающих трубок;
3 – в два раза больше длина тепловоспринимающих трубок.
Эти достоинства показывают перспективу исследования и практического внедрения данной модели СК.
3. Заключение
В работе отмечено, что при шестиугольной форме корпуса и спиралеобразной компоновке труб увеличивается длина тепловоспринимающих труб, а также площадь, занятая тепловоспринимающими трубками и лучепоглощающая поверхность более чем в 2 раза. Отсутствие углов поворота трубок снижает их гидравлическое сопротивление, что также значительно сказывается на повышении общего КПД солнечного коллектора. В спиральном СК планируется использовать современные материалы теплоизоляции и светопрозрачного слоя, что также повысит его КПД. Шестиугольная форма корпуса и выходной распределитель теплоносителя, расположенный в центральной части корпуса, экономит место при размещении большого количества СК на ограниченной площади.