Солнечный тепловой коллектор собирает тепло , поглощая солнечный свет . Термин «солнечный коллектор» обычно относится к устройству для солнечного нагрева горячей воды , но может относиться к крупным установкам для генерации электроэнергии, таким как солнечные параболические желоба и солнечные башни или устройствам для нагрева воды, таким как солнечные плиты или солнечные воздухонагреватели . [1]
Солнечные тепловые коллекторы бывают неконцентрирующими и концентрирующими. В неконцентрирующих коллекторах площадь апертуры (т. е. площадь, которая получает солнечное излучение ) примерно такая же, как 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, протекающим по трубам, прикрепленным к пластине.
Концентрирующие коллекторы имеют гораздо большую апертуру, чем площадь абсорбера. Апертура обычно имеет форму зеркала , которое фокусируется на абсорбере, которым в большинстве случаев являются трубы, несущие рабочую жидкость. [2] Из-за движения солнца в течение дня концентрирующие коллекторы часто требуют какой-либо формы системы слежения за солнцем, и иногда по этой причине их называют «активными» коллекторами.
Неконцентрирующие коллекторы обычно используются в жилых, промышленных и коммерческих зданиях для отопления помещений , в то время как концентрирующие коллекторы в концентрированных солнечных электростанциях вырабатывают электроэнергию путем нагрева теплоносителя для приведения в действие турбины, подключенной к электрогенератору . [3]
Плоские и вакуумные солнечные коллекторы в основном используются для сбора тепла для отопления помещений, горячего водоснабжения или охлаждения с помощью абсорбционного охладителя . В отличие от солнечных панелей горячего водоснабжения, они используют циркулирующую жидкость для перемещения тепла в отдельный резервуар. Первый солнечный тепловой коллектор, предназначенный для крыш зданий, был запатентован Уильямом Х. Геттлом и назван « Солнечный тепловой коллектор и радиатор для крыш зданий ». [4]
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 свыше 100 °C (212 °F). [5] [6] Эти неконцентрирующие коллекторы собирают как рассеянный, так и прямой свет и могут использовать пар вместо воды в качестве жидкости.
Плоские коллекторы являются наиболее распространенной солнечной тепловой технологией в Европе . [7] Они состоят из (1) корпуса, содержащего (2) темную пластину абсорбера с каналами циркуляции жидкости и (3) прозрачную крышку, позволяющую передавать солнечную энергию в корпус. Боковые и задняя части корпуса обычно изолированы, чтобы уменьшить потери тепла в окружающую среду. Теплоноситель циркулирует через каналы жидкости абсорбера, чтобы отводить тепло от солнечного коллектора. Циркуляционная жидкость в тропическом и субтропическом климате обычно представляет собой воду. В климате, где вероятно замерзание, вместо воды или в смеси с водой может использоваться теплоноситель, похожий на автомобильный антифриз . Если используется теплоноситель, теплообменник обычно используется для передачи тепла от жидкости солнечного коллектора в резервуар для хранения горячей воды. Наиболее распространенная конструкция абсорбера состоит из медной трубки, соединенной с металлическим листом с высокой проводимостью (медь или алюминий). Темное покрытие наносится на обращенную к солнцу сторону узла абсорбера, чтобы увеличить поглощение им солнечной энергии. Распространенным поглощающим покрытием является черная эмалевая краска.
В конструкциях солнечных коллекторов с более высокой производительностью прозрачная крышка изготавливается из закаленного натриево-кальциевого стекла с пониженным содержанием оксида железа , как и для фотоэлектрических солнечных панелей . Стекло также может иметь точечный рисунок и одно или два антибликовых покрытия для дальнейшего повышения прозрачности . Поглощающее покрытие обычно является селективным покрытием, где селективное означает наличие специального оптического свойства для объединения высокого поглощения в видимой части электромагнитного спектра с низким излучением в инфракрасном . Это создает селективную поверхность , которая снижает излучение энергии черного тела из поглотителя и улучшает производительность. Трубопровод может быть приварен лазером или ультразвуком к листу поглотителя для уменьшения повреждения селективного покрытия, которое обычно наносится перед соединением с большими катушками в процессе рулон-рулон .
Конфигурации трубопроводов абсорбера включают в себя:
Плоский коллектор, использующий сотовую структуру для снижения потерь тепла также и со стороны стекла, также был представлен в продаже. Большинство плоских коллекторов имеют ожидаемый срок службы более 25 лет. [ необходима цитата ] .
Вакуумные трубчатые коллекторы являются наиболее распространенной солнечной тепловой технологией в мире. [7] Они используют стеклянную трубку , чтобы окружить поглотитель высоким вакуумом и эффективно противостоять атмосферному давлению . Вакуум, который окружает поглотитель, значительно снижает конвекцию и тепловые потери за счет проводимости , 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 («Сиднейская трубка»). Теплопередающая жидкость может втекать и вытекать из каждой трубки или находиться в контакте с тепловой трубкой, проходящей внутри трубки. В последнем случае тепловые трубки передают тепло жидкости в теплообменнике, называемом «коллектором», расположенном поперечно по отношению к трубкам. [ требуется ссылка ] Коллектор обернут в изоляцию ( стеклянную вату ) и покрыт защитным металлическим или пластиковым корпусом, также используемым для крепления к опорам.
Стеклометаллические вакуумные трубки изготавливаются из плоских или изогнутых металлических листов-поглотителей, таких же, как и у плоских пластин. Эти листы соединяются с трубами или тепловыми трубками для создания «ребр» и помещаются внутрь одной боросиликатной стеклянной трубки. Антибликовое покрытие может быть нанесено на внутреннюю и внешнюю поверхности таких трубок для улучшения прозрачности. Как селективное, так и антибликовое покрытие (внутренняя поверхность трубки) не будет ухудшаться до тех пор, пока не будет потерян вакуум. [8] Однако требуется герметичное стеклометаллическое уплотнение с высокой степенью вакуума на одной или обеих сторонах каждой вакуумной трубки. Это уплотнение циклически переключается между температурой окружающей среды и температурой жидкости каждый день работы коллектора и может со временем привести к отказам.
Стеклянно-стеклянные вакуумные трубки изготавливаются из двух боросиликатных стеклянных трубок, спаянных вместе на одном или обоих концах (подобно вакуумной бутылке или сосуду Дьюара). Ребро абсорбера помещается внутрь внутренней трубки при атмосферном давлении. Стеклянно-стеклянные трубки имеют очень надежную герметизацию, но два слоя стекла уменьшают количество солнечного света, которое достигает абсорбера. Селективное покрытие может быть нанесено на внутреннюю боросиликатную трубку (сторона высокого вакуума), чтобы избежать этого, но в этом случае тепло должно проходить через плохо проводящую стеклянную толщу внутренней трубки. Более того, влага может проникать в невакуумированную область внутри внутренней трубки и вызывать коррозию абсорбера , особенно если она изготовлена из разнородных материалов ( электрическая коррозия ).
Бариевый импульсный геттерный насос обычно испаряется внутри высоковакуумного зазора между трубками, чтобы поддерживать внутреннее давление стабильным с течением времени.
Высокие температуры, которые могут возникнуть внутри вакуумных трубок, могут потребовать специальной конструкции для предотвращения теплового удара и перегрева . Некоторые вакуумные трубчатые коллекторы работают как тепловой односторонний клапан благодаря своим тепловым трубкам. Это дает им присущую максимальную рабочую температуру , которая действует как функция безопасности. [9] Вакуумные трубчатые коллекторы также могут быть снабжены низкоконцентрированными отражателями на задней стороне трубок, реализуя коллектор CPC. [10]
Между сторонниками этих двух технологий существует давний спор. Частично это может быть связано со структурой вакуумных трубчатых коллекторов, которые имеют прерывистую область поглощения. Массив вакуумных трубчатых коллекторов на крыше имеет пространство между отдельными трубками и вакуумный зазор между каждой трубкой и ее поглотителем внутри, покрывая только часть площади установки на крыше. Если вакуумные трубки сравнивать с плоскими пластинчатыми коллекторами на основе площади, занимаемой крышей (общая площадь), можно прийти к иному выводу, чем если бы сравнивались площади поглотителя или апертуры. Недавняя редакция стандарта ISO 9806 [11] гласит, что эффективность солнечных тепловых коллекторов должна измеряться в терминах общей площади, и это может отдать предпочтение плоским пластинам по сравнению с вакуумными трубчатыми коллекторами при прямом сравнении.
Плоские коллекторы обычно теряют больше тепла в окружающую среду, чем вакуумные трубки, поскольку на стеклянной стороне нет изоляции. Вакуумные трубчатые коллекторы по своей сути имеют более низкое отношение поглотителя к общей площади (обычно на 60–80 % меньше), чем плоские пластины, поскольку трубки должны быть расположены на расстоянии друг от друга. Хотя несколько европейских компаний производят вакуумные трубчатые коллекторы (в основном стеклометаллического типа), на рынке вакуумных трубок доминируют производители из Китая, причем некоторые компании имеют послужной список 15–30 лет и более. Нет однозначных доказательств того, что две конструкции различаются по долгосрочной надежности. Однако технология вакуумных трубок (особенно для более новых вариантов с уплотнениями из стекла и металла и тепловыми трубками) все еще должна продемонстрировать конкурентоспособный срок службы. Модульность вакуумных трубок может быть выгодна с точки зрения расширяемости и обслуживания, например, если вакуум в одной тепловой трубке потерян, ее можно легко заменить с минимальными усилиями.
В большинстве климатических условий плоские коллекторы, как правило, более экономичны, чем вакуумные трубки. [14] Однако вакуумные трубчатые коллекторы хорошо подходят для низких температур окружающей среды и хорошо работают в условиях низкой солнечной радиации, обеспечивая тепло более стабильно в течение года. Неглазурованные плоские коллекторы являются предпочтительными устройствами для нагрева воды в бассейне. Неглазурованные коллекторы могут быть пригодны в тропических или субтропических условиях, если бытовую горячую воду необходимо нагреть менее чем на 20 °C (36 °F) по сравнению с температурой окружающей среды. Вакуумные трубчатые коллекторы имеют меньшее аэродинамическое сопротивление, что может позволить более простую установку на крышах в ветреных местах. Зазоры между трубками могут позволить снегу падать через коллектор, сводя к минимуму потери производства в некоторых снежных условиях, хотя отсутствие излучаемого тепла от трубок также может помешать эффективному сбросу накопившегося снега. Плоские пластинчатые коллекторы могут быть легче очищать. Другие свойства, такие как внешний вид и простота установки, более субъективны и их трудно сравнивать.
Вакуумные плоские солнечные коллекторы обеспечивают все преимущества как плоских пластин, так и вакуумных трубчатых коллекторов, объединенных вместе. Они окружают большой по площади металлический листовой абсорбер высоким вакуумом внутри плоской оболочки из стекла и металла. Они обеспечивают самую высокую эффективность преобразования энергии любого неконцентрирующего солнечного теплового коллектора, [15] но требуют сложной технологии для производства. Их не следует путать с плоскими пластинчатыми коллекторами с низким вакуумом внутри. Первый коллектор, использующий высоковакуумную изоляцию, был разработан в ЦЕРНе , [16] в то время как TVP SOLAR SA из Швейцарии была первой компанией, которая в 2012 году начала коммерциализацию сертифицированных Solar Keymark коллекторов. [17]
Вакуумированные плоские солнечные коллекторы требуют как стеклометаллического уплотнения для соединения стеклянной пластины с остальной частью металлической оболочки, так и внутренней структуры для поддержки такой пластины от атмосферного давления. Поглотитель должен быть сегментирован или снабжен подходящими отверстиями для размещения такой структуры. Соединение всех частей должно быть высоковакуумно-плотным, и только материалы с низким давлением паров могут использоваться для предотвращения дегазации . Технология стеклометаллического уплотнения может быть основана либо на металлизированном стекле [18], либо на остеклованном металле [19] и определяет тип коллектора. В отличие от вакуумированных трубчатых коллекторов, они используют неиспаряющиеся геттерные (NEG) насосы для поддержания внутреннего давления стабильным с течением времени. Эта технология геттерного насоса имеет преимущество в обеспечении некоторой регенерации на месте под воздействием солнечного света. Вакуумированные плоские солнечные коллекторы были изучены для солнечного кондиционирования воздуха и сравнены с компактными солнечными концентраторами. [20]
Эти коллекторы являются альтернативой металлическим коллекторам. Они могут быть полностью полимерными или включать металлические пластины перед морозостойкими водными каналами, изготовленными из силиконовой резины . Полимеры гибкие и, следовательно, морозостойкие и могут использовать простую воду вместо антифриза, так что их можно подключать непосредственно к существующим водяным бакам, не нуждаясь в теплообменниках, которые снижают эффективность. При отказе от теплообменника температура не должна быть столь высокой для включения системы циркуляции, поэтому такие панели прямой циркуляции, будь то полимерные или иные, могут быть более эффективными, особенно при низких уровнях солнечного излучения . Некоторые ранние селективно покрытые полимерные коллекторы страдали от перегрева при изоляции, поскольку температуры застоя могли превышать температуру плавления полимера. [21] [22] Например, температура плавления полипропилена составляет 160 °C (320 °F), в то время как температура стагнации изолированных тепловых коллекторов может превышать 180 °C (356 °F), если не используются стратегии контроля. По этой причине полипропилен нечасто используется в застекленных селективно покрытых солнечных коллекторах. Все чаще используются полимеры, такие как высокотемпературные силиконы (которые плавятся при температуре более 250 °C (482 °F)). Некоторые застекленные солнечные коллекторы на основе полимеров, не являющихся полипропиленовыми, имеют матово-черное покрытие, а не селективное покрытие, чтобы снизить температуру стагнации до 150 °C (302 °F) или ниже.
В районах, где возможно замерзание, морозостойкость (способность многократно замерзать без образования трещин) может быть достигнута за счет использования гибких полимеров. Силиконовые резиновые трубы используются для этой цели в Великобритании с 1999 года. Обычные металлические коллекторы уязвимы к повреждениям от замерзания, поэтому, если они заполнены водой, их необходимо тщательно подключить к водопроводу, чтобы они полностью опорожнились под действием силы тяжести до ожидаемого замерзания, чтобы они не треснули. Многие металлические коллекторы устанавливаются как часть герметичной системы теплообменника. Вместо того, чтобы питьевая вода текла напрямую через коллекторы, используется смесь воды и антифриза, такого как пропиленгликоль. Жидкий теплоноситель защищает от замерзания вплоть до локально определенной температуры риска, которая зависит от доли пропиленгликоля в смеси. Использование гликоля незначительно снижает теплопроводность воды, в то время как добавление дополнительного теплообменника может снизить производительность системы при низком уровне освещенности. [ необходима цитата ]
Бассейновый или неглазурованный коллектор — это простая форма плоского коллектора без прозрачной крышки. Обычно в качестве поглотителя используется полипропилен или EPDM-каучук или силиконовая резина. При использовании для подогрева бассейна он может работать достаточно хорошо, когда желаемая выходная температура близка к температуре окружающей среды (то есть, когда на улице тепло). По мере понижения температуры окружающей среды эти коллекторы становятся менее эффективными. [ необходима цитата ]
Солнечная чаша — это тип солнечного теплового коллектора, который работает аналогично параболической тарелке, но вместо использования следящего параболического зеркала с фиксированным приемником, он имеет фиксированное сферическое зеркало с следящим приемником. Это снижает эффективность, но делает его более дешевым в строительстве и эксплуатации. Проектировщики называют его фиксированной зеркальной распределенной фокусной солнечной энергетической системой . Основной причиной ее разработки было устранение затрат на перемещение большого зеркала для отслеживания солнца, как в системах параболических тарелок. [23]
Неподвижное 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 системы отслеживают солнце. Неподвижное сферическое зеркало фокусирует свет в одном и том же месте независимо от положения солнца. Однако свет не направлен в одну точку, а распределяется по линии от поверхности зеркала до половины радиуса (вдоль линии, проходящей через центр сферы и солнце). [ необходима цитата ]
По мере того, как солнце движется по небу, апертура любого фиксированного коллектора изменяется. Это вызывает изменения в количестве улавливаемого солнечного света, создавая то, что называется синусоидальным эффектом выходной мощности. Сторонники конструкции солнечной чаши утверждают, что снижение общей выходной мощности по сравнению с отслеживающими параболическими зеркалами компенсируется более низкими системными затратами. [23]
Солнечный свет, сконцентрированный на фокальной линии сферического отражателя, собирается с помощью следящего приемника. Этот приемник вращается вокруг фокальной линии и обычно уравновешен. Приемник может состоять из труб, по которым течет жидкость для теплопередачи или фотоэлектрических элементов для прямого преобразования света в электричество.
Проект солнечной чаши стал результатом проекта кафедры электротехники Техасского технического университета под руководством Эдвина О'Хэра по разработке электростанции мощностью 5 МВт. Солнечная чаша была построена для города Кросбитон, штат Техас, в качестве пилотного объекта. [23] Чаша имела диаметр 65 футов (20 м), наклонена под углом 15° для оптимизации соотношения стоимости и производительности (33° максимизировали бы производительность). Край полусферы был «обрезан» до 60°, что создало максимальную апертуру в 3318 квадратных футов (308,3 м2 ) . Эта пилотная чаша производила электроэнергию со скоростью 10 кВт пик. [ требуется ссылка ]
Ауровильская солнечная чаша диаметром 15 метров (49 футов) была разработана на основе более раннего испытания 3,5-метровой (11-футовой) чаши в 1979–1982 годах, проведенного Tata Energy Research Institute . Это испытание показало использование солнечной чаши для производства пара для приготовления пищи. Полномасштабный проект по строительству солнечной чаши и кухни был запущен в эксплуатацию в 1996 году и был полностью готов к 2001 году. [ необходима цитата ]
В местах со средним уровнем доступной солнечной энергии плоские коллекторы имеют размер приблизительно от 1,2 до 2,4 квадратных дециметров на литр суточного потребления горячей воды.
Основное применение этой технологии — жилые здания, где потребность в горячей воде сильно влияет на счета за электроэнергию. Обычно это ситуация с большой семьей или ситуация, когда потребность в горячей воде чрезмерна из-за частой стирки белья. Коммерческие приложения включают прачечные самообслуживания, автомойки, военные прачечные и заведения общественного питания. Технология также может использоваться для отопления помещений, если здание находится вне сети или если коммунальное электроснабжение часто отключается. Солнечные водонагревательные системы, скорее всего, будут экономически эффективными для объектов с системами нагрева воды, которые дороги в эксплуатации, или для таких операций, как прачечные или кухни, которым требуется большое количество горячей воды. Неглазурованные жидкостные коллекторы обычно используются для нагрева воды для бассейнов, но могут также применяться для крупномасштабного предварительного нагрева воды. Когда нагрузки велики относительно доступной площади коллектора, большая часть нагрева воды может осуществляться при низкой температуре, ниже температуры бассейна, где неглазурованные коллекторы хорошо зарекомендовали себя на рынке как правильный выбор. Поскольку этим коллекторам не нужно выдерживать высокие температуры, они могут использовать менее дорогие материалы, такие как пластик или резина. Многие неглазурованные коллекторы сделаны из полипропилена и должны быть полностью осушены, чтобы избежать замерзания, когда температура воздуха падает ниже 44 °F (7 °C) в ясные ночи. [24]Меньший, но растущий процент неглазурованных коллекторов является гибким, что означает, что они могут выдерживать замерзание воды внутри своего абсорбера. Проблема замерзания должна касаться только заполненных водой труб и коллекторов коллекторов в условиях сильного замерзания. Неглазурованные солнечные системы горячего водоснабжения должны быть установлены для «обратного стока» в резервуар для хранения, когда солнечного излучения недостаточно. С неглазурованными системами нет проблем с тепловым ударом. Обычно используемые для подогрева бассейнов с самого начала солнечной энергетики, неглазурованные солнечные коллекторы нагревают воду в бассейне напрямую без необходимости в антифризе или теплообменниках. Солнечные системы горячего водоснабжения требуют теплообменников из-за возможности загрязнения, а в случае неглазурованных коллекторов — из-за разницы давления между солнечной рабочей жидкостью (водой) и нагрузкой (холодная городская вода под давлением). Крупногабаритные неглазурованные солнечные водонагреватели, такие как тот, что находится в аквапарке Minoru Aquatic Center в Ричмонде, Британская Колумбия, работают при более низких температурах, чем вакуумные трубчатые или коробочные и застекленные коллекторные системы. Хотя они требуют более крупных и дорогих теплообменников, все остальные компоненты, включая вентилируемые резервуары для хранения и неизолированные пластиковые трубы из ПВХ, значительно снижают стоимость этой альтернативы по сравнению с коллекторами с более высокой температурой. При нагревании горячей воды мы фактически нагреваем холодную до теплой и теплую до горячей. Мы можем нагревать холодную до теплой так же эффективно с помощью неглазурованных коллекторов, как и теплую до горячей с помощью высокотемпературных коллекторов. [ требуется цитата ]
Простой солнечный воздушный коллектор состоит из поглощающего материала, иногда имеющего селективную поверхность, для захвата солнечного излучения и передачи этой тепловой энергии воздуху посредством теплопроводности. Этот нагретый воздух затем подается по воздуховоду в пространство здания или в технологическую зону , где нагретый воздух используется для отопления помещения или нужд технологического отопления. Функционируя аналогично обычной печи с принудительной подачей воздуха, солнечные тепловые воздушные системы обеспечивают тепло путем циркуляции воздуха над поверхностью сбора энергии, поглощая тепловую энергию солнца и подавая воздух, вступающий с ней в контакт. Простые и эффективные коллекторы могут быть изготовлены для различных применений в области кондиционирования воздуха и технологических процессов. [ необходима цитата ]
Во многих приложениях можно использовать технологии солнечного воздушного тепла для снижения выбросов углерода от использования традиционных источников тепла, таких как ископаемое топливо, для создания устойчивого способа производства тепловой энергии. Такие приложения, как отопление помещений, продление сезона теплиц , предварительный нагрев воздуха для подпитки вентиляции или технологическое тепло, могут быть решены с помощью устройств солнечного воздушного тепла. В области « солнечной когенерации » солнечные тепловые технологии сочетаются с фотоэлектрическими (PV) для повышения эффективности системы путем отвода тепла от фотоэлектрических коллекторов, охлаждения фотоэлектрических панелей для улучшения их электрических характеристик и одновременного нагрева воздуха для отопления помещений. [ необходима цитата ]
Отопление жилых и коммерческих помещений может осуществляться с помощью солнечных панелей воздушного отопления. Эта конфигурация работает путем забора воздуха из оболочки здания или из внешней среды и пропускания его через коллектор, где воздух нагревается посредством теплопроводности от поглотителя, а затем подается в жилое или рабочее пространство либо пассивным способом, либо с помощью вентилятора. Первопроходцем этого типа системы был Джордж Лёф, который построил систему солнечного нагрева воздуха в 1945 году для дома в Боулдере, штат Колорадо. Позже он включил гравийный слой для хранения тепла. [ необходима цитата ]
Вентиляция, свежий воздух или приточный воздух требуются в большинстве коммерческих, промышленных и институциональных зданий для соответствия требованиям кодекса. При прохождении воздуха через надлежащим образом спроектированный неостекленный коллектор транспирируемого воздуха или воздухонагреватель, солнечный нагретый свежий воздух может снизить тепловую нагрузку во время дневной работы. Сейчас устанавливается много приложений, где транспирируемый коллектор предварительно нагревает свежий воздух, поступающий в вентилятор рекуперации тепла, чтобы сократить время размораживания HRV. Чем выше ваша вентиляция и температура, тем лучше будет время окупаемости. [ необходима цитата ]
Тепло солнечного воздуха также используется в таких технологических процессах, как сушка белья, сельскохозяйственных культур ( например , чая, кукурузы, кофе) и других приложениях для сушки. Воздух, нагретый через солнечный коллектор и затем пропущенный через среду для сушки, может обеспечить эффективное средство для снижения содержания влаги в материале. [ необходима цитата ]
Высокотемпературное технологическое тепло может вырабатываться солнечной печью .
Коллекторы обычно классифицируются по способу воздуховода на три типа:
Коллекторы также можно классифицировать по их внешней поверхности:
Предлагая самую высокую эффективность любой солнечной технологии, конфигурация прохода, воздух, поступающий на одну сторону абсорбера, проходит через перфорированный материал и нагревается за счет проводящих свойств материала и конвективных свойств движущегося воздуха. Проходные абсорберы имеют наибольшую площадь поверхности, что обеспечивает относительно высокие показатели кондуктивной теплопередачи, но значительное падение давления может потребовать большей мощности вентилятора, а ухудшение определенного материала абсорбера после многих лет воздействия солнечного излучения может дополнительно создать проблемы с качеством воздуха и производительностью.
В конфигурациях с задним проходом, передним проходом и комбинированного типа воздух направляется либо на заднюю, либо на переднюю, либо на обе стороны абсорбера для нагрева от возврата к коллекторам воздуховодов подачи. Хотя прохождение воздуха по обеим сторонам абсорбера обеспечит большую площадь поверхности для кондуктивной теплопередачи, проблемы с пылью (загрязнение) могут возникнуть из-за прохождения воздуха по передней стороне абсорбера, что снижает эффективность абсорбера за счет ограничения количества получаемого солнечного света. В холодном климате прохождение воздуха рядом со стеклом дополнительно приведет к большим потерям тепла, что приведет к снижению общей производительности коллектора.
Застекленные системы обычно имеют прозрачный верхний лист и изолированные боковые и задние панели для минимизации потерь тепла в окружающий воздух. Пластины абсорбера в современных панелях могут иметь поглощающую способность более 93%. Застекленные солнечные коллекторы (рециркуляционные типы, которые обычно используются для отопления помещений). Воздух обычно проходит вдоль передней или задней части пластины абсорбера, одновременно отводя тепло непосредственно от нее. Нагретый воздух затем может распределяться напрямую для таких применений, как отопление и сушка помещений, или может храниться для последующего использования. Окупаемость застекленных панелей солнечного воздушного отопления может составлять менее 9–15 лет в зависимости от заменяемого топлива.
Неостекленные системы или системы транспирируемого 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 менее дороги и сокращают ожидаемые сроки окупаемости. Транспирируемые коллекторы считаются «неостекленными», поскольку их коллекторные поверхности подвергаются воздействию стихии, часто непрозрачны и не герметичны.
Термин «неостекленный воздушный коллектор» относится к системе солнечного воздушного отопления, которая состоит из металлического поглотителя без какого-либо стекла или остекления сверху. Наиболее распространенным типом неостекленного коллектора на рынке является транспирируемый солнечный коллектор. Технология тщательно контролируется этими государственными учреждениями, и Министерство природных ресурсов Канады разработало инструмент оценки осуществимости RETScreen™ для моделирования экономии энергии от транспирируемых солнечных коллекторов. С тех пор несколько тысяч систем транспирируемых солнечных коллекторов были установлены в различных коммерческих, промышленных, институциональных, сельскохозяйственных и технологических приложениях в странах по всему миру. Эта технология изначально использовалась в основном в промышленных приложениях, таких как производственные и сборочные заводы, где были высокие требования к вентиляции, послойное потолочное отопление и часто отрицательное давление в здании. В связи с растущей потребностью в установке систем возобновляемой энергии в зданиях солнечные коллекторы теперь используются во всем строительном фонде из-за высокой выработки энергии (до 750 пиковых тепловых Вт/м2), высокой степени преобразования солнечной энергии (до 90%) и более низких капитальных затрат по сравнению с солнечными фотоэлектрическими системами и солнечным водонагревателем.
Солнечное воздушное отопление — это возобновляемая технология отопления, используемая для нагрева или кондиционирования воздуха в зданиях или технологических тепловых приложениях. Обычно это самая экономически эффективная из всех солнечных технологий, особенно в крупномасштабных приложениях, и она охватывает наибольшее использование энергии зданий в отапливаемых климатах, а именно отопление помещений и промышленное технологическое отопление. Они бывают либо застекленными, либо не застекленными.
Незастекленные воздушные коллекторы нагревают окружающий (внешний) воздух вместо рециркулируемого воздуха здания. Транспирируемые солнечные коллекторы обычно монтируются на стене, чтобы улавливать нижний угол солнца в зимние отопительные месяцы, а также отражение солнца от снега и достигать оптимальной производительности и окупаемости инвестиций при работе с расходами от 4 до 8 куб. футов в минуту на квадратный фут (от 72 до 144 м3/ч.м2) площади коллектора.
Внешняя поверхность транспирируемого солнечного коллектора состоит из тысяч крошечных микроотверстий, которые позволяют пограничному слою тепла захватываться и равномерно втягиваться в воздушную полость за внешними панелями. Этот нагретый вентиляционный воздух втягивается под отрицательным давлением в вентиляционную систему здания, где он затем распределяется с помощью обычных средств или с использованием солнечной системы воздуховодов.
Горячий воздух, который может попасть в систему HVAC, подключенную к транспирированному коллектору, который имеет воздуховыпускные отверстия, расположенные вдоль верхней части коллектора, особенно если коллектор обращен на запад. Чтобы решить эту проблему, Matrix Energy запатентовала транспирированный коллектор с нижним расположением воздуховыпускного отверстия и перфорированной полостью каркаса для создания повышенной турбулентности воздуха за перфорированным абсорбером для повышения производительности.
Этот разрез показывает компоненты солнечного коллектора MatrixAir transpired и поток воздуха. Нижний воздухозаборник смягчает поступление нагретого воздуха в систему HVAC во время летней эксплуатации.
Обширный мониторинг, проведенный Министерством природных ресурсов Канады и NREL, показал, что системы транспирируемых солнечных коллекторов снижают 10–50 % обычной тепловой нагрузки, а RETScreen является точным предсказателем производительности системы. Транспирируемые солнечные коллекторы действуют как дождевой экран, а также улавливают тепловые потери, выходящие из оболочки здания, которые собираются в воздушной полости коллектора и втягиваются обратно в вентиляционную систему. Системы солнечного воздушного отопления не требуют технического обслуживания, а ожидаемый срок службы составляет более 30 лет.
Незастекленные транспирируемые коллекторы также могут быть установлены на крыше для приложений, в которых нет подходящей стены, выходящей на юг, или по другим архитектурным соображениям. Matrix Energy Inc. запатентовала устанавливаемый на крыше продукт под названием «Delta», модульную устанавливаемую на крыше солнечную систему воздушного отопления, где фасады, выходящие на юг, восток или запад, просто недоступны.
Каждый модуль размером 10 футов (3,05 м) будет поставлять 250 CFM (425 м3/ч) предварительно нагретого свежего воздуха, что обычно обеспечивает годовую экономию энергии в размере 1100 кВтч (4 ГДж) в год. Этот уникальный двухступенчатый модульный крышный испарительный коллектор работает с эффективностью почти 90%, каждый модуль поставляет более 118 л/с предварительно нагретого воздуха на два квадратных метра коллектора. До семи коллекторов могут быть соединены последовательно в один ряд, без ограничения на количество рядов, соединенных параллельно вдоль одного центрального воздуховода, что обычно дает 4 CFM предварительно нагретого воздуха на квадратный фут доступной площади крыши.
Испаряемые коллекторы могут быть сконфигурированы для нагрева воздуха дважды, чтобы увеличить температуру подаваемого воздуха, что делает его пригодным для отопления помещений, а также для вентиляционного воздушного отопления. В двухступенчатой системе первая ступень представляет собой типичный неостекленный испаряемый коллектор, а вторая ступень имеет остекление, покрывающее испаряемый коллектор. Остекление позволяет направлять весь нагретый воздух с первой ступени через второй набор испаряемых коллекторов для второй ступени солнечного отопления.
Параболические желоба , тарелки и башни, описанные в этом разделе, используются почти исключительно на солнечных электростанциях или в исследовательских целях. Параболические желоба использовались для некоторых коммерческих солнечных систем кондиционирования воздуха . Несмотря на простоту, эти солнечные концентраторы довольно далеки от теоретической максимальной концентрации. [25] [26] Например, концентрация параболического желоба составляет около 1/3 от теоретического максимума для того же угла приема , то есть для тех же общих допусков для системы. Приближение к теоретическому максимуму может быть достигнуто путем использования более сложных концентраторов, основанных на невизуальной оптике . [25] Солнечные тепловые коллекторы также могут использоваться в сочетании с фотоэлектрическими коллекторами для получения комбинированного тепла и электроэнергии. [27] [28]
Этот тип коллектора обычно используется на солнечных электростанциях . Параболический отражатель в форме желоба используется для концентрации солнечного света на изолированной трубке ( трубке Дьюара ) или тепловой трубе , размещенной в фокусе , содержащей охлаждающую жидкость , которая переносит тепло от коллекторов к котлам на электростанции.
С параболическим тарелочным коллектором одна или несколько параболических тарелок концентрируют солнечную энергию в одной фокальной точке, подобно тому, как рефлекторный телескоп фокусирует звездный свет, или антенна-тарелка фокусирует радиоволны. Такая геометрия может использоваться в солнечных печах и солнечных электростанциях.
Форма параболы означает, что входящие световые лучи, параллельные оси тарелки, будут отражаться в направлении фокуса, независимо от того, в какую точку тарелки они попадают. Свет от солнца достигает поверхности Земли почти полностью параллельно, а тарелка выровнена так, что ее ось направлена на солнце, что позволяет почти всему входящему излучению отражаться в направлении фокуса тарелки. Большинство потерь в таких коллекторах обусловлено несовершенством параболической формы и несовершенным отражением.
Потери из-за атмосферного рассеивания обычно минимальны. Однако в туманный или дымчатый день свет рассеивается во всех направлениях через атмосферу, что значительно снижает эффективность параболической тарелки. В конструкциях электростанций с тарелкой Стирлинга двигатель Стирлинга , соединенный с динамо-машиной, размещается в фокусе тарелки. Он поглощает сфокусированную на нем энергию и преобразует ее в электричество.
Башня электростанции — это большая башня, окруженная отслеживающими зеркалами, называемыми гелиостатами . Эти зеркала выравниваются и фокусируют солнечный свет на приемнике наверху башни, собранное тепло передается на электростанцию внизу. Такая конструкция достигает очень высоких температур. Высокие температуры подходят для выработки электроэнергии с использованием обычных методов, таких как паровая турбина или прямая высокотемпературная химическая реакция, такая как жидкая соль. [29] Концентрируя солнечный свет, современные системы могут быть более эффективными, чем простые солнечные элементы. Можно покрыть большую площадь, используя относительно недорогие зеркала, а не дорогие солнечные элементы . Концентрированный свет можно перенаправить в подходящее место с помощью оптоволоконного кабеля для таких целей, как освещение зданий. Можно обеспечить накопление тепла для выработки электроэнергии в облачные и ночные условия, часто путем подземного хранения нагретых жидкостей в резервуарах. Расплавленные соли использовались с хорошим эффектом. Другие рабочие жидкости, такие как жидкие металлы, также были предложены из-за их превосходных тепловых свойств. [30]
Однако концентрирующие системы требуют отслеживания солнца для поддержания фокусировки солнечного света на коллекторе. Они не способны обеспечить значительную мощность в условиях рассеянного света . Солнечные элементы способны обеспечить некоторую выходную мощность даже если небо становится облачным, но выходная мощность концентрирующих систем резко падает в облачных условиях, поскольку рассеянный свет не может быть хорошо сконцентрирован.
Солнечный тепловой коллектор функционирует как теплообменник, преобразующий солнечное излучение в тепловую энергию. [31] Он отличается от обычного теплообменника несколькими аспектами. Поток солнечной энергии (излучение), падающий на поверхность Земли, имеет переменную и относительно низкую поверхностную плотность, обычно не превышающую 1100 Вт/м 2 без систем концентрации. Более того, длина волны падающего солнечного излучения лежит в пределах от 0,3 до 3 мкм, что значительно короче длины волны излучения, испускаемого большинством излучающих поверхностей. [31]
Коллектор поглощает поступающее солнечное излучение, преобразуя его в тепловую энергию. Затем эта тепловая энергия передается в теплоноситель, циркулирующий внутри коллектора. [32] Теплоноситель может быть воздухом, водой, маслом или смесью, включающей гликоль (антифриз), особенно в системах с принудительной циркуляцией. [32] Системы концентрации могут использовать материалы с фазовым переходом, такие как расплавленные соли. [33] Тепловая энергия теплоносителя затем может использоваться напрямую или храниться для последующего использования. [34] Передача тепловой энергии происходит посредством конвекции, которая может быть как естественной, так и принудительной в зависимости от конкретной системы. [35] [36]
