Температура в солнечном коллекторе: Солнечные коллекторы | basserv.com

Содержание

Солнечный коллектор

Солнечный коллекторустройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя. Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.

Вакуумный солнечный коллектор.

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство, схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум.

Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95 % улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности. Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Солнечный коллектор на основе вакуумных трубок – это устройство поглощающее энергию солнца и преобразующее ее в тепло, которое можно использовать для нагрева воды и дополнительного отопления помещения. Это современный, высокоэффективный экономичный и экологичный источник тепла круглый год.

Солнечный коллектор состоит из вакуумных трубок, установленных на специальном креплении и теплообменника, где происходит нагрев теплоносителя.

Устройство бытового коллектора.

Теплоноситель (вода, воздух, масло или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя. В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя. Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.

Установка солнечного коллектора в обязательном порядке комплектуется ИБП и аккумулятором глубокого разряда для защиты от отключения электроэнергии и перепадов напряжения.

Вакуумные трубчатые коллекторы. Преимущества

  • Низкие теплопотери
  • Работоспособность в холодное время года до −30С
  • Способность генерировать высокие температуры
  • Длительный период работы в течение суток
  • Удобство монтажа
  • Низкая парусность
  • Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата

Недостатки

  • Относительно высокая начальная стоимость проекта
  • Рабочий угол наклона не менее 20°

Применение солнечного коллектора или системы коллекторов, при условии правильного проектирования и монтажа, может удовлетворить большую часть годовой потребности в ГВС и значительно оптимизировать затраты на отопление, в качестве дополнительного источника. Прекрасно подходит для использования на промышленных объектах, гостиницах, базах отдыха, кемпингах, частных домах, дачах и фермерских хозяйствах.

Коллекторы предназначены для обогрева помещений в условиях достаточной солнечной освещённости и при отсутствии (или параллельно с ними) других источников энергии (таких как газ, электричество, жидкое и твёрдое топливо). Коллекторы не могут быть основной системой отопления, так как не обеспечивают постоянных характеристик, как в течение суток, так и при смене сезонов года. Однако система может быть интегрирована в любую существующую систему отопления и вентиляции. Как правило, что бы минимизировать влияние погодных и климатических условий, солнечный коллектор используется комбинированно с котлом, колонкой или электроводонагревателем. При этом всегда используется накопительный бак, чтобы сохранять достаточное количество теплой воды.

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

Солнечный Коллектор / Технологии строительства сборного дома : Fertigbau

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя. Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.

Типы солнечных коллекторов

плоские

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Абсорбер связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрным цветом либо спецраствором, для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурит). Трубки, по которым распространяется вода, изготавливаются из сшитого полиэтилена (PEX) либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком. При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—200 °C.Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно,применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности, поскольку применение меди против алюминия даёт выигрыш 4% (хотя теплопроводность алюминия вдвое меньше, что означает значительное превышение «запаса мощности» по теплопередаче), что незначительно в сравнении с ценой)[источник не указан 100 дней] Используется также аллюминиевый экран.

вакуумные

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Устройство бытового коллектора

Теплоноситель (вода, воздух или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе и баке-аккумуляторе, который располагается выше.В более сложном варианте коллектор имеет свой контур, заполненный водой или антифризом. В контур включается насос для циркуляции теплоносителя. Бак может располагаться как непосредственно рядом с коллектором, так и внутри здания.В тех случаях, когда солнечной энергии недостаточно, температуру воды на нужном уровне поддерживает дополнительный электрический нагревательный элемент, который устанавливают за баком-аккумулятором. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе.

В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.

Расчет плоского солнечного коллектора — Статьи об энергетике





Солнечные коллекторы позволят использовать энергию Солнца для подогрева воды лишь при правильном расчете требуемой мощности всей системы и выборе соответствующих компонентов. Производительность солнечного коллектора, как устройства для преобразования солнечного света, определяется площадью и количеством элементов, которые непосредственно участвуют в нагреве воды.

Основные типы солнечных коллекторов
Солнечный коллектор: устройство, конструкция, монтаж
 


Расчет мощности плоского солнечного коллектора

Современные плоские солнечные коллекторы с одного квадратного метра площади установки позволяют получать около 900 Вт полезной мощности, которая расходуется на нагрев воды. Данное допущение можно применять лишь при благоприятных погодных условиях, которые изменяются в зависимости от времени суток и наличия облачности. Пример расчета мощности солнечного коллектора плоского типа будет проводиться для модели площадью 1 кв. м. (коллектор утеплен 10 см пенополистирола и имеет близким к 100% показателем по поглощению тепловой энергии).

Для начала определим тепловые потери, которые зависят от типа и толщины утеплителя на обратной (теневой) стороне солнечного коллектора. Предположим, что разница температур на противоположных сторонах пенополистирола составляет 50 градусов. Тогда, зная его коэффициент теплоизоляции (0,05 Вт/м*град.) определяем потери:

 

0,05/0,1 × 50 = 25 Вт


Данное значение можно умножить вдвое с учетом потерь в торцах солнечного коллектора и трубах.

Солнечный коллектор своими руками
Солнечные батареи и коллекторы для бытового назначения

Для повышения температуры воды, которая используется в плоских солнечных коллекторах в качестве теплоносителя, на один градус необходимо затратить 1,16 Вт энергии. Используя солнечный коллектор с показателем производства в 800 Вт (с учетом изменения интенсивности солнечного света) получаем, что с нашей модели солнечного коллектора за один час можно нагреть на один градус около 700 кг воды (при температурах теплоносителя до 60 градусов). В нашем случае, модель плоского солнечного коллектора теоретически способна будет нагреть 10 л воды на 70 градусов всего за один час. Для получения максимальной эффективности от солнечного коллектора необходимо, чтобы панели коллектора были расположены под углом, соответствующем широте местности.

Исходя из полученных данных, для подогрева 50 л воды до температуры в 70 градусов мощность солнечного коллектора должна составлять:

W=Q × V × Tp = 1,16 × 50× (70-10) = 3,48 кВт


Зная номинальную мощность 1 кв. м. солнечного коллектора, можно определить площадь радиаторов, которые необходимы для подогрева заданного объема воды до необходимой температуры.

 

 




Всего комментариев: 0


Как работает солнечный коллектор зимой

Обновлено: 8 декабря 2020.

Как работает солнечный коллектор зимой – этот вопрос интересует любого, кто собирается установить гелиосистему. И он действительно важен. Ведь вкладывая свои средства вы должны знать, чего ожидать от купленного оборудования.

В этой статье мы рассмотрим особенности работы вакуумных и плоских коллекторов, их производительность и нюансы эксплуатации.

Осадки и наморозь

Когда у коллектора нет доступа к прямому солнечному свету, он перестает работать. Вакуумные коллекторы могут нагревать воду или теплоноситель от рассеянного света, но их эффективность при этом снижается. Плоским панелям нужно прямое солнечное излучение, иначе они нагревают воду намного хуже вакуумных трубок. Плоские солнечные панели лучше работают летом, а принцип работы вакуумного трубчатого коллектора позволяет более эффективно греть воду зимой.

Когда поверхность панели или трубок засыпает снегом, эффективность вакуумного солнечного коллектора падает до 10-15% от номинальной, а плоских панелей – до 0%. То же самое касается инея.

В случае, если на коллекторе появляется наледь, он продолжает работать, так как она почти прозрачная и свет проникает на принимающую поверхность.

Еще одно отличие двух типов коллекторов в том, насколько они удерживают снег. С плоских панелей он легко сползает, а на вакуумных трубках задерживается, так как площадь сцепления с поверхностью больше и сама их форма этому способствует.

На вакуумные трубки часто намерзает иней и налипает снег, поэтому они нуждаются в регулярной очистке.

Температурные колебания

Качественные вакуумные трубки с напылением не отдают тепло, верхний слой не нагревается, поэтому от температуры воздуха их эффективность не зависит. Плоский солнечный коллектор отдает небольшое количество тепла в атмосферу, но оно не превышает 5% для качественных изделий.

Теплопотери обоих типов гелиосистем настолько малы, что ими можно пренебречь. Поэтому эффективность работы коллекторов не зависит от температуры.

У обоих типов коллекторов есть вероятность повреждения при сильных перепадах температуры. У некачественных плоских панелей есть вероятность появления трещин. Это приводит к небольшим теплопотерям. У плоских солнечных коллекторов хороших производителей такой риск отсутствует – их покрытие сделано из гибкого полимерного стекла.

Вакуумные трубки более подвержены колебаниям температур. При быстром нагреве стекло расширяется и не всегда равномерно. Особенно если часть трубок занесены снегом. За счет этого могут появиться трещины и разгерметизация стеклянных колб. В таком случае поврежденная трубка перестает работать.

Защититься от перепадов температур практически невозможно. Единственный вариант – покупать солнечные коллекторы у проверенных производителей и поставщиков. Важно отметить, что даже китайские производители без собственных торговых марок часто изготавливают качественную продукцию.

Обслуживание солнечных коллекторов зимой.

Плоские солнечные панели

Чтобы солнечный коллектор работал эффективно, его нужно чистить от снега, инея и наледи. С плоским коллектором все просто – его можно очистить специальным скребком или пролить теплой водой.

Некоторые производители предлагают панели с системой оттаивания. Она может быть реализована по-разному, но чаще всего это дополнительный контур, через который при необходимости прокачивается горячая вода. Это небольшие энергозатраты, но с помощью такой системы нет отпадет нужда вручную чистить панели.

Вакуумный коллектор

Снег забивается между трубок, поэтому очистить их сложнее, чем поверхность плоского коллектора. На боковые стенки приходится до 20% поглощения солнечного света, а если коллектор с отражателем (рефлектором), то до 50%.

Вручную чистить вакуумные трубки сложнее чем плоскую поверхность. Чтобы облегчить этот процесс, можно закрыть коллектор корпусом с прочным стеклом – так можно упростить его очистку не потеряв производительность. Можно проливать его теплой водой, но стоит помнить что из-за перепада температур трубка может треснуть.

Как работает солнечный коллектор зимой с точки зрения эффективности?

По сравнению с летом, зимой эффективность работы вакуумного солнечного коллектора падает на 10-15%. Плоские панели работают хуже на 25-40%. Для наглядности приводим сравнительный график, на котором показано как работает солнечный коллектор зимой и летом в зависимости от его типа.

Сравнительный график, на котором показана эффективность плоских панелей и трубчатых вакуумных коллекторов в зависимости от времени года.

КПД работы солнечного коллектора зависит от уровня облачности. Если на улице солнечная погода, уровень инсоляции составляет 0,5-1 кВт/кв.м., при легкой облачности он падает до 0,1-0,2 кВт/кв.м., когда на небе темные тучи, до поверхности доходит 0,01-0,05 кВт/кв.м.

Большую роль играет продолжительность дня – зимой она в два раза меньше, чем летом. Соответственно, при самой хорошей погоде любой коллектор сможет только 50% того тепла, какое дал бы в летний сезон.

Чтобы улучшить коэффициент энергоэффективности солнечного коллектора, пожно оиспользовать его в паре с дополнительным оборудованием:

  • Тепловые насосы;
  • Газовые котлы;
  • Твердотопливные котлы;
  • Электрические обогреватели.

А для энергетической независимости нелишним будет установить альтернативные источники электроэнергии — солнечные батареи и ветрогенератор.

Как видим, эксплуатация солнечных коллекторов зимой связана с определенными сложностями. Но это не значит что они неэффективны. Просто, чтобы обеспечить отопление дома вакуумными коллекторами или солнечными панелями, нужно правильно подойти к расчету системы.

Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!



Хотите получить помощь мастера, специалиста в этой сфере? Переходите на портал поиска мастеров Профи. Это полностью бесплатный сервис, на котором вы найдете профессионала, который решит вашу проблему. Вы не платите за размещение объявления, просмотры, выбор подрядчика.

Если вы сами мастер своего дела, то зарегистрируйтесь на Профи и получайте поток клиентов. Ваша прибыль в одном клике!


Высокотемпературный коллектор — обзор

7.2 Цикл Ренкина на солнечной энергии

Солнечная тепловая энергия, собранная в солнечных подсхемах, в конечном итоге преобразуется в энергию с помощью энергетических циклов, включая цикл Ренкина, ORC, циклы Брайтона и Стирлинга. Учитывая зрелую технологию и относительно приемлемые характеристики даже в случае низкотемпературных источников тепла, цикл Ренкина является наиболее распространенной технологией для выработки электроэнергии из солнечной тепловой энергии.

Основными компонентами солнечной системы Ренкина являются солнечные коллекторы, чаще всего PTC, система аккумулирования тепла и подсистема цикла Ренкина.В своей простейшей форме цикл Ренкина состоит из котла, в котором рабочая жидкость меняет фазу, турбины, которая расширяет жидкость и генерирует механическую энергию, которая в конечном итоге преобразуется в электричество в генераторе, конденсаторе, в котором рабочая жидкость жидкость конденсируется, и насос, который нагнетает жидкость обратно до высокого давления и обеспечивает постоянный массовый расход. В зависимости от природы рабочего тела цикл будет либо паровым циклом Ренкина, либо ORC. В этом разделе мы сосредоточимся на паровом цикле Ренкина, показанном на рис.7.3.

Рис. 7.3. Схематическое изображение обычного солнечного парового цикла Ренкина.

Для высокотемпературных применений (обычно> 350 ° C) паровой цикл Ренкина предпочтительнее ORC из-за более высокой эффективности [6]. При более низких температурах, как будет более подробно рассмотрено в разделе 7.3, паровой цикл Ренкина незначителен как с точки зрения энергии, так и с точки зрения экономической эффективности, поэтому ORC является наиболее зрелой технологией для получения среднего и низкопотенциального тепла. источники.Основные преимущества обычного парового цикла Ренкина:

Высокая эффективность при соответствующих температурах

Широкий диапазон производительности, особенно для крупномасштабных приложений

Совместимость с рабочими температурами высокотемпературных коллекторов

Зрелая технология и рентабельность для больших масштабов

Однако обычный паровой цикл Ренкина требует большого количества воды для отвода тепла, не предлагает потенциал децентрализованной электростанции и требует опыта персонала для безопасной работы. Помимо обычно применяемых ПТК, системы опорных башен и коллекторы Френеля также могут быть объединены с паровым циклом Ренкина для производства энергии.

Учитывая непостоянство солнечного излучения в сочетании с солнечной подсистемой, в традиционный паровой цикл Ренкина, в частности в парогенераторе-утилизаторе (HRSG), необходимо внести определенные изменения, чтобы учесть динамическое поведение парогенератора. теплоснабжение [5].

Солнечное поле является наиболее важной частью солнечной системы Ренкина, и особое внимание следует уделять ее конструкции и стратегии эксплуатации.Общая поверхность растения практически определяется самим солнечным полем, так как остальные компоненты значительно меньше по размеру. Критическими параметрами при определении размера солнечного поля являются необходимое количество тепла в цикле Ренкина, уровень солнечной радиации в месте расположения станции и отсутствие или отсутствие системы аккумулирования тепла. В своей простейшей версии типичное солнечное поле состоит из ряда параллельных рядов солнечных коллекторов, соединенных последовательно, чтобы максимизировать уровень температуры рабочего тела на выходе из солнечного поля.

Исходя из того, как солнечная энергия в конечном итоге нагревает рабочую жидкость цикла Ренкина, можно определить две основные категории: (i) прямое производство пара (DSG), при котором коллектор непосредственно нагревает рабочую жидкость и (ii) ) косвенный нагрев через жидкий теплоноситель (HTF). На рис. 7.4 показаны схемы двух таких обычных систем.

Рис. 7.4. Схематическое изображение (A) цикла Ренкина DSG и (B) цикла Ренкина с паром с использованием HTF.

7.2.1 Жидкий теплоноситель в непрямом солнечном цикле Ренкина

Что касается случая использования HTF, существует несколько коммерчески доступных жидкостей; список некоторых из них представлен на рис. 7.5. Реализация этой схемы допускает сопряжение с системой аккумулирования тепла. С другой стороны, необходимость в дополнительной стадии теплопередачи для нагрева цикла Ренкина вносит дополнительные необратимые изменения в систему, снижая ее общую эффективность преобразования. Кроме того, внедрение HTF требует дополнительного потребления энергии для его циркуляции, что еще больше снижает общую полезную выходную мощность.

Рис. 7.5. Неисчерпывающий перечень ПВТ и их рабочий диапазон температур [7, 8].

HTF, используемый в солнечных установках Ранкина, должен обладать определенными свойствами, чтобы выдерживать высокие температуры и давления в системе. Одним из решающих факторов при выборе рабочей жидкости является максимальная рабочая температура жидкости, поскольку она накладывает ограничение на общую производительность системы. С другой стороны, особенно для регионов с низкими температурами зимой, необходимо уделять внимание выбору жидкости, которая не пострадает от замерзания, что может привести к серьезному повреждению всей солнечной подсистемы.

В большинстве случаев используются водно-гликолевые смеси и Терминол ВП-1 [7]. Therminol VP-1 может достигать температуры до 400 ° C и представляет собой эвтектическую смесь 73,5% дифенилоксида / 26,5% дифенила. Основная проблема, касающаяся его работы, связана с его относительно высокой температурой замерзания (12 ° C), что делает необходимым внедрение системы резервного нагрева для сохранения температуры рабочей жидкости на безопасном уровне даже при низких температурах окружающей среды. Более того, тот факт, что его нормальная температура кипения составляет 257 ° C, приводит к работе системы при более высоких давлениях.Однако работа под давлением требует полного отсутствия кислорода, так как в любом другом случае смесь может быть чрезвычайно легковоспламеняющейся. Кроме того, вышеупомянутая жидкость страдает от старения, что приводит к необходимости ежегодной замены части, помимо значительных капитальных затрат на ее покупку. Более конкретно, Giglio et al. [9] сообщили, что 5% инвестиционных затрат на электростанцию ​​Andasol 1 в Испании было связано с HTF.

С другой стороны, следует отметить, что в настоящее время HTF, которые могут работать при гораздо более высоких температурах, еще не конкурентоспособны по стоимости.

7.2.2 Прямая выработка пара

DSG была представлена ​​в 1990-х годах как альтернатива паровым циклам Ренкина с PTC, использующим HTF, с целью снижения капитальных затрат и затрат на техническое обслуживание системы. В этих системах испарение воды происходит в соленоидном приемнике. Feldhoff et al. [10] подсчитали, что приведенная стоимость энергии была снижена на 11% в системах DSG по сравнению с паровыми циклами Ренкина с HTF. Основные преимущества конфигурации DSG перечислены ниже [4, 11]:

Высокие температуры испарения и, следовательно, более высокий КПД в PTC

Общий более высокий КПД преобразования из-за отсутствия промежуточного тепла теплообменник

Значительно меньшая тепловая инерция

Отсутствие рисков, связанных с использованием HTF (утечки и риски воспламенения)

Снижение капитальных затрат

Снижение затрат на техническое обслуживание

Снижение затрат на производство электроэнергии

Более простая конструкция

Уменьшение размеров компонентов

Однако отсутствие системы хранения или промежуточного HTF приводит к адаптации прерывистой природы солнечной электронной нервность, нарушение стабильности системы и эффективность работы.Кроме того, быстрые колебания подводимого тепла могут привести к неправильному испарению воды и, таким образом, к повреждению турбины. Еще одна технологическая проблема, которую необходимо решить до широкого коммерческого внедрения технологии DSG, — это конструкция соленоидного приемника, способного выдерживать высокие давления и температуры, характерные для парового цикла Ренкина. Более того, управление солнечными коллекторами должно быть соответствующим образом модифицировано для взаимодействия с водяным паром, циркулирующим через их приемники, и соответствующими двухфазными термодинамическими свойствами.Чтобы обеспечить прочную конструкцию, перепад температур в поперечных сечениях поглотителя должен поддерживаться в допустимых пределах для материалов, из которых он изготовлен, для сдерживания индуцированных термических напряжений [12]. Наконец, необходимо позаботиться о риске замерзания при низких температурах, которое может полностью разрушить приемник.

Первая демонстрационная установка конфигурации DSG получила название Direct Solar Steam (проект DISS) и располагалась в Табернасе, Испания. Проект, продвигаемый ЕС, доказал, что технология DSG технически осуществима в режиме рециркуляции [9].Сообщаемое высокое давление в цикле достигало 100 бар, в то время как соответствующие максимальные температуры достигали 400 ° C [13]. В настоящее время существует несколько коммерческих заводов, использующих технологию DSG. В таблице 7.1 представлен неполный список солнечных тепловых станций, использующих технологию DSG.

Таблица 7.1. Солнечные тепловые электростанции, работающие с циклом Ренкина DSG [14, 15]

№ / a)
Название (страна) Солнечная техника Мощность (МВт) Тип накопителя / резервный
Пуэрто-Эррадо 1 (Испания) Линейный коллектор Френеля 1.4 Термоклинный накопитель с одним резервуаром
Thai Solar One (Таиланд) PTCs 5 Без накопителя
Солнечная тепловая энергетическая установка Kimberlina (США) Линейный коллектор Fresnel143 5
Солнечная электростанция PS20 (Испания) Электростанция 20 Накопление тепла (тип н / д)
Пуэрто-Эррадо 2 (Испания) Линейный коллектор Френеля 30 Термоклин с одним резервуаром для аккумулирования тепла
Иванпа (США) Башня питания 400 Нет хранилища, резервное физ. урал газ

Помимо обычных термальных масел, используемых в качестве HTF и воды, которая используется в системах DSG, в последнее время интерес к использованию ионных жидкостей.Основные преимущества расплавов солей включают тот факт, что они менее коррозийны, чем термомасла, и могут работать при значительно более высоких температурах [13]. Однако их стоимость в настоящее время значительно выше, и они страдают от проблем с кристаллизацией, если не будет реализована надлежащая стратегия.

7.2.3 Система накопления тепловой энергии

Накопитель тепловой энергии (TES) является важным компонентом солнечной тепловой электростанции с точки зрения ее эффективной работы. Из-за непостоянства солнечного излучения, TES применяется в солнечных энергетических системах для повышения стабильности и продления срока службы системы.Внедрение системы TES приводит к завышению размера солнечного поля, чтобы обеспечить достаточную энергию для системы хранения и продлить работу силового блока. Влияние подсистемы хранения на общую эффективность имеет решающее значение. Ключевые преимущества внедрения системы хранения включают следующее:

Повышение надежности системы за счет снижения пиковых нагрузок на выработку электроэнергии

Более стабильная работа и, как следствие, увеличенный срок службы

Продолжительная работа даже в периоды без солнечного излучения

Энергосбережение и общее лучшее использование энергии за счет хранения энергии в непиковые часы и подачи ее в энергосистему, когда требуется больше энергии

Энергосистема работает при более высоких коэффициентах нагрузки и, следовательно, более стабильно и эффективно.

Снижение затрат на электроэнергию

Системы TES, используемые на солнечных тепловых электростанциях, могут быть либо «активными», либо «Пассивный.«В активных системах аккумулирования тепла принудительная передача тепла происходит через теплоноситель. Активные системы можно разделить на прямые и непрямые. В прямых системах теплоноситель также используется как среда, в которой хранится тепло, в то время как в косвенных системах для аккумулирования тепла используется другая среда.

В большинстве пассивных систем аккумулирования тепла используются две среды, одна в качестве теплоносителя, который протекает через среду хранения, передавая тепло к последней и от нее.В режиме зарядки тепло передается от теплоносителя к теплоносителю, а во время разряда теплоноситель поглощает тепло от теплоносителя и передает его подсистеме выработки электроэнергии. В таких системах теплопередача обычно происходит через теплообменник, что вносит определенный уровень необратимости.

7.2.3.1 Активные системы TES

В активных системах прямого TES теплоноситель также служит в качестве теплоносителя. По этой причине эта жидкость должна обладать определенными теплофизическими свойствами как для передачи, так и для хранения тепла.При использовании пара или расплавленных солей в качестве теплоносителя и жидкости для хранения, использование промежуточного теплообменника — между солнечной подсистемой и системой аккумулирования тепла — незначительно. Кроме того, эти жидкости позволяют коллекторам работать при более высоких температурах, чем HTF, повышая их эффективность. С другой стороны, особенно при использовании расплавов солей, особое внимание необходимо уделять предотвращению кристаллизации. Активные системы прямого TES состоят из двух резервуаров-аккумуляторов тепла, каждый для разного уровня температуры — резервуара для высоких и низких температур, соответственно.

Ключевые преимущества этих систем:

Более высокие температуры в PTC и, следовательно, более высокий КПД

Более высокий КПД в цикле Ренкина — из-за увеличения температуры источника тепла

С учетом более высокой разницы температур между входом и выходом коллектора

С другой стороны, установка двух резервуаров увеличивает капитальные затраты, в то время как повышенные температуры на обоих резервуарах приводят к более высоким тепловым потерям.Более того, стоимость использования таких жидкостей в настоящее время относительно высока.

Что касается активных косвенных систем, как уже объяснялось, тепло передается от теплоносителя к другому носителю для хранения. В этом случае системы с одним резервуаром могут быть реализованы вместо конфигурации с двумя резервуарами прямых систем, снижая, таким образом, капитальные затраты. Непрямая активная система TES была внедрена на солнечных тепловых электростанциях AndaSol в Испании. В установке AndaSol теплоносителем является Therminol VP-1, а для аккумулирования тепла используется смесь расплавов солей (60% NaNO 3 /40% KNO 3 ).

7.2.3.2 Пассивные системы TES

В пассивных системах TES теплоноситель протекает через систему аккумулирования, заряжая или отводя теплоноситель. В таких системах в основном используются твердые материалы, такие как бетон и материалы с фазовым переходом (ПКМ). В последнее десятилетие большое научное внимание было уделено технологии PCM [16]; однако с коммерческой точки зрения они все еще находятся на незрелом уровне.

Что касается аккумулирования тепла в бетоне, теплоноситель протекает через соленоидные теплообменники, установленные в бетонной конструкции в виде сот [17], как показано на рис.7.6. Электромагнитные теплообменники — дорогостоящая часть конструкции, а их размеры и расположение пучков — решающий фактор в общей эффективности системы. Основные преимущества технологии включают невысокую стоимость носителя информации и высокую скорость теплопередачи системы хранения. С другой стороны, высокая стоимость соленоидных теплообменников и необходимость частого технического обслуживания системы являются основными недостатками этого варианта аккумулирования тепла.

Рис. 7.6. Схема конкретной системы аккумулирования тепла и соленоидных теплообменников.

В обзоре в Таблице 7.2 представлен обновленный список всех солнечных систем Ренкина, работающих от PTC, согласно данным NREL [18].

Таблица 7.2. Список солнечных водо-паровых установок Ренкина с приводом от PTC [18]

–3 (Испания) – 901 43 50 9014 3 Термомасло 50 моль-ВП-соль National Solar Thermal Производственное предприятие (Индия) Два масло 30
Название (страна) Площадь солнечного поля (м 2 ) Высокая температура солнечного поля (° C) Теплоноситель Мощность (МВт) Теплоаккумулятор
Abhijett Solar Project (Индия) нет данных нет данных Therminol VP-1 50 510,120 / каждый 393 Downsherm A 50 / каждый Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль / каждый
Arcosol (Испания) 510,120 393 дифенилоксид 49.9 Два резервуара для непрямых расплавленных солей
Arenales (Испания) 510,120 393 Diphyl 50 Два резервуара для непрямых расплавленных солей
ASE Demo 550 Расплавленная соль 0,35 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Ашалим (Израиль) нет данных нет данных нет данных Два резервуара 110 расплавленная соль
Aste 1A-1B 510,120 / каждый 393 Downsherm A 50 / каждый Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль / каждый
Astexol Astexol 90 (Испания) 393 Downsherm A 50 Два резервуара непрямого нагрева — расплавленная соль
Bokpoort (Южная Африка) 588 600 393 Downsherm A Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Касабланка (Испания) 510,120 393 Нижняя терма A 50 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
n Chabe30i (Китай) / a нет данных Расплавленная соль 64 Два резервуара для непрямых расплавленных солей
Delingha 50 MW Thermal Oil PT project (Китай) нет 393 Thermal Oil 50 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Завод по производству желобов DEWA CSP (Объединенные Арабские Эмираты) н / д н / д Термомасло 600 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Дивакар (Индия) н / д н / д Синтетическое масло 100 Непрямая расплавленная соль с двумя резервуарами
Enerstar (Испания) 339,506 393 Термомасло 50
Extresol-1, -2, -3 (Испания) 510,120 / каждый 393 резервуар Дифенил / бифенилоксид 50 / каждый 50 / каждый непрямая — расплавленная соль / каждый
Gansu Akesai (Китай) н / д н / д Расплавленная соль 50 Непрямая расплавленная соль с двумя резервуарами
Genesis Solar Energy Project (United Штаты) н / д 393 Даунтерм A 250
Годавари Solar Project (Индия) 392,400 390

Gujarat Solar One (Индия) 326,800 393 Diphyl 25 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Gulang (Китай) н / д н / д 100 Два резервуара для непрямых расплавленных солей
Гусман (Испания) 310,406 393 Даунтерм A 50
(Испания) 300,000 / штука 393 Термомасло 50 / штука
Helios I, II (Испания) 300,000 / штука 393 Термомасло 50 / штука
Холаники в Кихол-Пойнт (США) н / д 176 Xceltherm-600 2 Прочие
Ibersol Ciudad Real (Испания) 901,730 / бифенилоксид — Даунтерм A 50
Иланга I (Южная Африка) 869,800 393 Термомасло 100 Tw o резервуар непрямого действия — расплавленная соль
Kathu Solar Park (Южная Африка) н / д 393 Термомасло 100 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
KaXu Solar One (Южная Африка) ) 800,000 нет данных термомасло 100 два резервуара непрямых расплавленных солей
KVK Energy Solar Project (Индия) нет нет синтетическое масло 100 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Ла Африкана (Испания) 550 000 393 н / д 50 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Ла Дехеса 552,750 393 Дифенил / бифенилоксид 49.9 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Ла Флорида (Испания) 552,750 393 Дифенил / дифенилоксид 50 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Испания (Испания) 352,854 393 Бифенил / дифенилоксид 50
Lebrija (Испания) 412,020 395 Два
Majadas I (Испания) 372,240 393 Бифенил / дифенилоксид 50
Manchasol 1,2 (Испания) 14314510iphenyl 9014 / каждый Оксид 49.9 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Солнечная электростанция Megha (Индия) 366,240 393 Xceltherm MK1 50
Mojave Solar Project (США) a нет данных Therminol VP-1 250
Moron (Испания) 380,000 393 Термомасло 50 8000 393 Therminol VP-1 1
Nevada Solar One (США) 357 200 393 указано
NOOR I (Марокко) н / д 393 Downsherm A 146 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
NOOR II (Марокко) н / д 393 Термомасло 185 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Olivenza 1 (Испания) 402,2143 402143 50
Орельяна (Испания) 405,500 393 Термомасло 50
Пальма-дель-Рио I, II 3914/2 Бифенил / дифенилоксид 50 / каждый
Rayspower Yumen 50 МВт проект термомасляного желоба (Китай) н / д н / д термомасло 50 непрямая — расплавленная соль
Проект «Шагая» (Кувейт) н / д н / д н / д 50 Непрямой солевой расплав с двумя резервуарами
Shams 1 (Объединенные Арабские Эмираты) 627,840 400 Therminol VP-1 100
Solaben 1,2,3,6 (Испания) 300 000 / каждый 393 Thermal 50 / каждый
Solacor 1-2 (Испания) 300 000 / каждый 393 Термомасло 50 / каждое
Solana ) 2,200,000 393 Therminol VP-1 — Xceltherm MK1 250 Непрямая расплавленная соль с двумя резервуарами
SEGS I (США) 82,960 901 13.8 Два резервуара прямого действия
SEGS II (США) 1 316 Therminol VP-1 30 нет данных
SEGS III, IV30 (США) 230,300 / штука 349 Therminol VP-1 30 / штука н / д
SEGS V (США) 250,600 349 Therminol 30144 VP-1 90 / a
SEGS VI (США) 188,000 390 Therminol VP-1 30 н / д
SEGS VII (США) 194 194 Therminol VP-1 30 н / д
SEGS VIII, IX (США) 464,340 / штука 390 Therminol VP-1 80 / штука нет
Сольнова 1,3 , 4 (Испания) 300,000 / штука 393 Термомасло 50 / штука
Termesol 50 (Испания) 510,120 393 дифенил.9 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Termosol 1,2 (Испания) 523,200 / каждый 393 Термомасло 50 / каждый Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Тайский Solar Energy 1 (Таиланд) 45,000 340 Вода / пар 5
Urat Middle Banner 100 МВт Проект термомасляного параболического желоба (Китай) н / д н / д Масло-теплоноситель 100 Два резервуара непрямого действия — расплавленная соль
Завод Waad Al shamal ISCC (Саудовская Аравия) нет данных нет Термомасло Два резервуара 50 — расплавленная соль
Xina Solar One (Южная Африка) н / д н / д термомасло 100 непрямое охлаждение с двумя резервуарами — расплавленная соль
Yumen 50 MW Thermal Oil Trough CSP project (Китай) н / д н / д термомасло 50 два резервуара непрямого действия — расплавленная соль

солнечный водонагреватель

Солнечное термальное водонагревание

Основы технологий
опубликовано в Renewable Energy World 02/2004 pp.95-99

Огромный рынок в Китае, амбициозные цели в ЕС… но что основы солнечного нагрева воды? Фолькер Квашнинг описывает принципы и технологии использования солнечной энергии для нагрева воды и внешний вид в приложениях для горячего водоснабжения и отопления помещений.

История применения солнечных батарей уходит корнями в долгую жизнь, по крайней мере что касается использования Архимедом вогнутого зеркала для нагрева воды в 214 году до нашей эры. Как термин, «Солнечная энергия» охватывает все виды использования солнечной энергии в тепловых целях и представляет собой ряд различные варианты технологий.Эта статья посвящена неконцентрирующему солнечному коллектору. системы, используемые для нагрева воды для бытовых нужд (системы концентрирующих коллекторов освещены в REW, ноябрь – декабрь 2003 г.).

Солнечные коллекторы

В основе гелиотермической системы лежит солнечный коллектор. Поглощает солнечную радиацию, преобразует его в тепло и передает полезное тепло солнечной системе. Есть ряд различных дизайнерских решений для коллекционеров: помимо простых поглотителей, используемых для плавания подогрев бассейна, были также разработаны более сложные системы для более высоких температуры, такие как встроенные накопительные коллекторы, плоские коллекторы, вакуумные плоские коллекторы и вакуумные трубчатые коллекторы.Несмотря на то что коммерческие интегральные коллекторы хранения действительно существуют, значительное количество не было продано, и поэтому они здесь подробно не описываются.

Коллекторы плоские

Большинство солнечных коллекторов, которые продаются во многих странах, относятся к категории плоских. Основными их составляющими являются прозрачная передняя крышка, корпус коллектора и поглотитель. Поглотитель внутри плоского корпуса коллектора преобразует солнечный свет в нагревает и передает его воде в трубках абсорбера.Как коллектор может дойти до застоя температурах до 200 ° C (т.е. когда вода не течет), все используемые материалы должны быть способен противостоять такой жаре. Поэтому поглотитель обычно изготавливается из металлических материалов. такие как медь, сталь или алюминий. Корпус коллектора может быть выполнен из пластик, металл или дерево, а передняя стеклянная крышка должна быть герметизирована, чтобы тепло не побега, а грязь, насекомые или влага не попадают в сам коллектор. Многие коллекционеры также имеют контролируемую вентиляцию, чтобы избежать конденсации внутри стеклянной передней части крышка.Корпус коллектора хорошо изолирован сзади и по бокам, сохраняя тепло. потери низкие. Тем не менее, некоторые потери тепла коллектора все еще существуют, в основном из-за разница температур между поглотителем и окружающим воздухом, и они подразделяются на конвекционные и радиационные потери. Первые вызваны движением воздуха, а последние вызваны обменом тепла излучением между поглотителем и среда.

Лист стекла закрывает коллектор, когда он обращен к солнцу, и это помогает предотвратить большинство конвективных потерь.Кроме того, он снижает тепловое излучение поглотителя в окружающая среда так же, как и в теплице. Однако стекло также отражает небольшую часть солнечного света, которая вообще не достигает поглотителя. На рис. 1 показаны процессы, происходящие на плоском коллекторе.


РИСУНОК 1. Процессы на плоском коллекторе

Селективные поглотители

Черные материалы очень хорошо поглощают солнечный свет и в результате нагреваются. Поскольку металлический материалы не имеют естественной черной поверхности, их необходимо покрывать для селективного абсорбция.Этой цели может служить черный термостойкий лак, но есть намного лучшие материалы для покрытия абсорбера. Если черная поверхность нагревается, из нее выделяется часть тепловая энергия снова в виде теплового излучения, как это может быть показано с электрическими конфорками: когда конфорка включена, тепловое излучение ощущается на коже, не касаясь самой конфорки. Черный лакированный абсорбер показывает такой же эффект, перенося только часть абсорбированного материала. нагревают воду, протекающую через трубы абсорбера, при этом выделяя немного тепла обратно в окружающую среду.

Так называемые селективные покрытия почти так же хорошо поглощают солнечный свет, как черные лакированные. поверхности и повторно излучают гораздо меньшее количество теплового излучения. В то время как нанесение покрытий необходимые для этих материалов более сложные, чем для лакирования, это компенсируется гораздо более высокой эффективностью. В результате многие поглотители сегодня имеют селективные покрытия с использованием материалов, включая черный хром, черный никель или TiNOX.

Коллекторы вакуумные

Конвекционные потери тепла из-за движения воздуха внутри коллектора могут быть значительными. уменьшается за счет поддержания вакуума между передней крышкой и поглотителем плоской пластины коллекционер.Поскольку в этом случае давление окружающего воздуха будет прижимать переднюю крышку к поглотителя, между задней частью коллектора и крышка, чтобы крышка оставалась в форме. Трудно поддерживать вакуум более длительный период времени, так как окружающий воздух всегда найдет путь между стеклом и корпус, чтобы попасть в коллектор, поэтому откачанный коллектор с плоской пластиной должен время от времени снова эвакуироваться. Этих недостатков можно избежать с вакуумными коллекторами.Высокий (почти полный) вакуум внутри закрытая стеклянная трубка вакуумного коллектора более стабильна в течение длительного периода время, чем в откачанном плоском коллекторе. Благодаря своей форме стеклянные трубки лучше выдерживают давление окружающего воздуха, поэтому между спинами не требуются опоры и лицевые стороны.

Коллектор с вакуумной трубкой представляет собой закрытую стеклянную трубку, внутри которой находится металлический лист абсорбера с тепловой трубкой посередине, содержащий термочувствительный среда, такая как метанол.Солнце нагревает и испаряет эту жидкость в тепловых трубках, и Затем пар поднимается в конденсатор и теплообменник на конце трубы. Там пар конденсируется и передает тепло теплоносителю солнечного цикла, воде с антифриз. Конденсированная жидкость течет обратно в нижнюю часть тепловой трубы, где солнце снова начинает нагревать его. Для правильной работы трубы должны иметь минимум угол наклона, чтобы пар поднимался, а жидкость текла обратно. Поперечное сечение Принцип работы вакуум-трубчатого коллектора и принцип его действия показан на рисунке 2.В некоторых коллекторах с вакуумной трубкой тепловая трубка проходит через конец стеклянная трубка, так что теплоноситель солнечного цикла может протекать прямо через нее. С этим типом коллектора теплообменник не нужен, и коллектор не нужен. должны быть установлены с минимальным углом наклона.


РИСУНОК 2. Принцип вакуумного трубчатого коллектора с тепловой трубкой; вид сверху

Значительно больший выигрыш в энергии может быть получен с помощью вакуумных трубчатых коллекторов, особенно в более прохладные месяцы года.Таким образом, солнечная система с использованием откачанной трубки Для коллекторов требуется меньшая площадь коллектора, чем для коллекторов со стандартной плоской пластиной. коллекционеры.

С другой стороны, удельная цена коллектора для вакуум-трубчатых коллекторов выше, чем для плоских систем. Еще одно соображение заключается в том, что трубчатые коллекторы не могут быть встроены в крышу, поэтому они всегда должны устанавливаться поверх нее, что снижает их архитектурные возможности.


ФОТО. Подключение откачанных трубок к солнечному циклу

КПД коллектора

Для сравнения коллекторов испытательные учреждения обычно оценивают кривые эффективности на основе измерений производительности коллектора.Эти кривые приведены для различная освещенность E и различная разница температур между коллекторами T C и окружающий воздух T A . Обычно используемое эмпирическое уравнение для КПД коллектора eta C это:

эта C = эта 0 — ( a 1 · ( T C T A ) + a 2 · (

9 T T T C T A ) C — T A ) ²) / E

Три параметра: eta 0 , a 1 и a 2 — это оценивается по коллекторным пробным измерениям; эта 0 также называется оптической эффективностью.На рисунке 3 показан типичный КПД коллектора. для плоского коллектора. Тепловые потери увеличиваются по мере увеличения разницы температур между коллектор и окружающий воздух поднимается. При низкой солнечной освещенности КПД снижается при более высокая скорость; например, при солнечной освещенности всего 200 Вт / м² выход, показанный на Рисунке 3 коллектор проб становится нулевым даже при более низкой разнице температур (около 40 ° C).


РИСУНОК 3. Эффективность коллектора при различной освещенности и разнице температур

Способы нагрева воды
Термосифонные системы

Для хранения воды на ночь или в пасмурные дни необходим резервуар для хранения.Очень простой способ сделать это, используя силу тяжести, показан на рисунке 4 — термосифон система. Принцип работы термосифонной системы заключается в том, что холодная вода имеет более высокую удельная плотность, чем у теплой воды, и поэтому, будучи тяжелее, будет тонуть. Следовательно коллектор всегда монтируется под резервуаром для воды, чтобы холодная вода из бак попадает в коллектор по нисходящей водяной трубе. Если коллектор нагревается, вода, вода снова поднимается и достигает резервуара по восходящей водяной трубе на верхний конец коллектора.Цикл бак – водопровод – коллектор обеспечивает подачу воды. нагревается до достижения равновесной температуры. Затем потребитель может сделать использование горячей воды из верхней части бака, при этом любая использованная вода заменяется холодной вода на дне. Затем коллектор снова нагревает холодную воду. Из-за более высокого перепады температур при более высокой солнечной радиации, теплая вода поднимается быстрее, чем она делает при более низкой освещенности. Таким образом, циркуляция воды почти полностью адаптируется. идеально соответствует уровню солнечной освещенности.Резервуар для хранения термосифонной системы должен располагаться значительно выше коллектора, иначе цикл может идти в обратном направлении. ночью и вся вода остынет. Кроме того, цикл не работает правильно при очень небольших перепадах высот. В регионах с высокой солнечной радиацией и плоской крышей архитектуры, резервуары для хранения обычно устанавливают на крыше.

Системы Thermosyphon очень экономичны в качестве нагрева воды для бытовых нужд. системы, и принцип прост, не требует ни насоса, ни управления.Тем не мение, термосифонные системы обычно не подходят для больших систем, т.е. более 10 м 2 поверхности коллектора. Кроме того, трудно разместить резервуар. над коллектором в зданиях с покатой крышей и одноконтурным термосифоном системы подходят только для незамерзающих регионов.


РИСУНОК 4. Термосифонная система

Системы принудительной циркуляции

В отличие от термосифонных систем, для перекачки воды можно использовать электрический насос. через солнечный цикл системы принудительной циркуляцией.Коллектор и резервуар для хранения затем быть установлен независимо, и без разницы в высоте между резервуаром и коллектором это необходимо. На рисунке 5 показана система с принудительной циркуляцией с обычным котлом. для резервного отопления.

Два датчика температуры контролируют температуру в солнечном коллекторе и резервуар. Если температура коллектора выше температуры резервуара на определенное количество, система управления запускает насос, который перемещает теплоноситель в солнечной цикл; Разница температур «включения» обычно составляет от 5 ° C до 10 ° C.Если разность температур уменьшается ниже второго порога, регулятор отключает насос снова.

В регионах, где есть опасность заморозков, обычно применяют двухконтурную систему. Питьевая вода хранится внутри резервуара для хранения, в то время как вода в солнечном цикле находится в смешивается с антифризом. Теплообменник передает тепло солнечной энергии. цикл к резервуару для хранения и сохраняет питьевую воду отдельно от антифриза смесь.

Системы с принудительной циркуляцией могут использоваться как для отопления помещений, так и для бытовых нужд. водяное отопление.В этом случае коллекторы и резервуары для хранения должны быть намного больше, чем с простые бытовые системы водяного отопления, в которых поверхность коллектора составляет около 4 м 2 достаточно для большинства домашних хозяйств. Также были успешно реализованы более крупные системы. с двумя и более резервуарами для хранения.


РИСУНОК 5. Двухтактная система с принудительной циркуляцией с обычным котлом для резервного отопления

Солнечное централизованное теплоснабжение

Если весь жилой массив должен быть оснащен солнечными системами, одним из решений является солнечная энергия. система централизованного теплоснабжения (см. рисунок 6).Сборщики либо распределены по домов или заменены большим центральным солнечным коллектором. Затем коллекторы нагреваются до большого центральный накопительный бак, из которого большая часть тепла распределяется обратно в дома. В Отношение площади поверхности к объему центрального резервуара намного лучше, чем у распределенного резервуара. системы хранения, поэтому потери при хранении намного ниже, и даже допускают сезонное тепло место хранения. Солнечное центральное отопление также является вариантом, если отопление помещения должно быть покрыто солнечная энергия.Потери в трубопроводах с центральным резервуаром выше, но в некоторых солнечных батареях Демонстрационные системы отопления уже успешно прошли испытания.


РИСУНОК 6. Солнечная система централизованного теплоснабжения

Рынки солнечных коллекторов

Китай на сегодняшний день является крупнейшим в мире производителем и пользователем солнечной энергии для нагрева воды. К концу 2002 г. общая установленная площадь солнечных систем горячего водоснабжения было около 40 млн м 2 ; годовой объем производства и продаж достиг примерно 8 млн м 2 в 2002 г.В настоящее время насчитывается более 1000 производителей, производящих и продажи солнечных тепловых систем, а общий оборот составил более 1 миллиарда евро. достигнуто. Коллекторы с вакуумными трубками доминируют на внутреннем и внешнем рынках Китая. рынки.

В других странах к 2001 году в США было смонтировано около 1 млн. М поверхности коллектора 2 ; почти все это было сделано из неглазурованных поглотителей, используемых для обогрева бассейнов. В Европе к 2002 г. было смонтировано около 1,1 млн. М площади коллектора 2 , а плоская плита коллектор доминирует над установками.Около половины этих установок реализовано. в Германии. Рынок солнечных коллекторов в основном зависит от политических условий в конкретной стране. страны, а в Германии, например, рынок коллекционеров упал на 40% в 2002 г. из-за неопределенных политических условий, хотя он снова восстановился в 2003 году. Однако ЕС имеет очень амбициозные цели для коллекторных установок — 100 миллионов м3 2 к 2010 году. Тогда солнечные тепловые системы будут играть важную роль в борьбе с глобальное потепление.

Фолькер Квашнинг

Исследование среднетемпературного желобного солнечного коллектора с многоповерхностной концентрацией

В данной статье разработан новый желобный солнечный концентратор, который состоит из поверхностей с множественным отражением. Сначала концентратор был проанализирован с помощью оптического программного обеспечения. Приведены кривые изменения эффективности сбора на погрешность слежения и угол отклонения. Установлено, что допуск на отклонение для системы слежения за коллектором составляет около 8 градусов, когда приемник имеет плоскость 90 мм.Желобковые солнечные концентраторы были испытаны в реальных погодных условиях. Результаты эксперимента показывают, что новый солнечный концентратор был подтвержден как имеющий относительно хорошую эффективность улавливания, которая может составлять более 45 процентов, когда он работает при температуре более 145 ° C. Он также обладает характеристиками устойчивости к пыли, ветру и снегу и низким требованиям к точности слежения.

1. Введение

Традиционный солнечный параболический желобный концентратор — одна из наиболее широко используемых и хорошо разработанных технологий солнечных коллекторов.Он успешно применяется на многих крупных тепловых электростанциях [1–4]. При контроле с помощью точных систем слежения за солнцем температура может достигать более 400 ° C. Однако он имеет следующие недостатки [5, 6]: (1) очень высокие требования не только к системе слежения за солнцем, но и к параболоиду. Если отраженный свет не может быть достигнут приемником, свет будет недействительным. При использовании недорогой солнечной системы отопления трудно достичь удовлетворительного результата. (2) На этот объект легко влияют ветер, снег и пыль.А это снизило бы эффективность системы. (3) Высокотемпературный солнечный приемник установлен на верхней части отражающей поверхности, поэтому потери тепла в окружающую среду очень высоки из-за радиационной теплопередачи. Как установка, так и изоляция приемника сложны.

Стремясь преодолеть нехватку традиционных канавочных параболических концентрирующих коллекторов в последние годы, многие исследователи изучали и проектировали различные типы коллекторов. Например, Рихтер [7] представил новый вид солнечного концентратора, который состоял из двойных параболических желобов, которые могут улучшить светосилу и коэффициент концентрации зимой.Тао и др. [8] исследовали изображение фокусом перекрывающейся комбинированной поверхности концентрированного канавочного коллектора, которое было исследовано и экспериментально проверено. Это доказывает, что концентратор канавочного типа может значительно снизить требования к точности отслеживания. Риффат и Майер [9] представили концентратор с V-образной канавкой нового типа для опреснения воды. Коллектор, использующий нагреватель теплопроводящего масляного змеевика, может повысить температуру воды до более чем 100 градусов по Цельсию. Общая эффективность производства воды может составлять 38 процентов.Андерсон (2013) [10] изучил солнечный коллектор с трапециевидной канавкой и изучил процесс естественной конвективной теплопередачи. Цай и Линь [11] изучали параболический концентратор с канавкой увеличения, в диапазоне увеличения он может собирать более 90% света. Исследования различных солнечных коллекторов нового типа, упомянутые выше, предоставляют методы, позволяющие снизить требования к точности для устройства слежения и повысить способность противостоять вмешательству окружающей среды.

По результатам предыдущих исследований в данной статье представлен новый тип комбинированного поверхностного параболического концентратора, в котором в его проем установлена ​​прозрачная крышка.Его отражающая поверхность состоит из нескольких изогнутых поверхностей, что позволяет солнечному приемнику синхронно нагреваться на верхней и нижней поверхностях. Это полезно для повышения эффективности приемника. Поскольку линия фокусировки концентратора находится в нижней части концентратора, это обеспечивает удобство установки и теплоизоляцию приемника [12]. В то же время это снижает потребность в точности слежения за солнечным светом. Система также улучшает сопротивление отражающей поверхности пыли и способность противостоять ветру и снегу.Это также значительно снижает тепловые потери ресивера и повышает эффективность системы. При этом система легко устанавливается, а приемник стоит стационарно.

2. Принцип работы и структура системы

Принцип фокусировки и геометрическое соотношение нового коллектора показаны на Рисунке 1; поперечное сечение в основном состоит из концентратора CPC, низкого параболического отражателя с двумя прямыми краями и дна. Как показано на рисунке 1, фокус правой параболы концентратора CPC находится на левой стороне стеклянной трубки.Также фокус левой параболы концентратора CPC находится на правой стороне стеклянной трубки. Фокус параболы внизу концентратора находится точно в центре приемника. Два зеркала с прямыми краями будут иметь эффект дальнейшего концентрирования, когда солнце находится не при нормальном падении.


Функция CPC равна, а параболическая функция в нижней части CPC равна

Самая низкая точка кривой, выраженной параболической функцией в нижней части CPC, является началом координат, показанным на рисунке 1.Размер CPC также показан на Рисунке 1. Ширина входа концентратора — 550 мм, ширина нижней параболы — 200 мм, длина прямых кромок — 20 мм. Расстояние от центра приемника до начала координат (т. Е. Самой низкой точки) составляет мм. Приемник представляет собой вакуумный трубчатый солнечный приемник с ребристой пластиной. Внутреннее устройство и фото показаны на рисунке 2. Длина одной вакуумной трубки 4 м.


3. Анализ и оптическое моделирование системы

Большинству концентрированных солнечных коллекторов необходимо отслеживать солнце.Стоимость средства отслеживания определяется требованиями к точности средства отслеживания. Анализ и оптическое моделирование были выполнены в системе, чтобы оценить производительность фокусировки этой системы. В соответствии с геометрическими параметрами и уравнением кривой в программе Pro / ENGINEER была создана трехмерная модель системы, которая была сохранена в формате IGES и затем введена в программу оптического моделирования под названием LightTools. В моделировании LightTools все отражающие поверхности определены как алюминий, и его коэффициент отражения предполагается равным 100%.Пучок лучей включает 1 × 500 параллельных лучей. Угол падения был изменен, чтобы выяснить, сколько световых лучей может достичь приемника. Результаты моделирования показаны на рисунке 3, когда углы падения света составляют 0 ° и 5 °. Как показано на рисунке 3, когда углы падения находятся в диапазоне ± 5 °, более 97% огней могут достигать приемника шириной 90 мм, которая равна ширине откачанного трубчатого приемника, использованного в эксперименте.


Кривая эффективности концентратора показана на рисунке 4.Из рисунка 4 видно, что около 84% света может достигать приемника, даже если отклонение угла слежения составляет 8 °. Это означает, что потребность в устройстве слежения за солнцем для многоповерхностного концентратора очень низкая. Поэтому солнечные трекеры, просто управляемые обычным шаговым двигателем, который дешевле по сравнению с другими высокопроизводительными солнечными трекерами, можно использовать для системы концентрации.


Кроме того, приемник обычно перемещается вместе с концентратором для отслеживания солнца в традиционном солнечном параболическом концентраторе с желобом.Часто случаются явления утечки масла и сложно изолировать весь ресивер. Следовательно, приемник может быть закреплен, и только концентратор отслеживает солнце в этой системе. Это повысит надежность системы. Но это принесет недостаток. А именно, пластина приемника может не совпадать с осью симметрии концентратора, и появляется определенный угол, который приведет к потерям света. В трубчатом ресивере этого не происходит. Однако следующие расчеты показывают, что потери света допустимы при небольшом угле.По сравнению с трубчатой ​​ствольной коробкой ствольная коробка с пластинчатым оребрением дешевле.

На рисунке 5 показаны результаты, когда угол отклонения между пластиной приемника и осью симметрии концентратора, которая является нормальной линией входной плоскости концентратора, составляет от 10 ° до 25 °, соответственно. Влияние угла отклонения на эффективность концентратора показано на рисунке 6. Из рисунков 5 и 6 видно, что световые потери составляют всего 5%, даже если угол отклонения между пластиной приемника и осью симметрии составляет 25 °. .Это вполне приемлемо. Это указывает на то, что для регионов северной широты, превышающих 25 °, если система концентрации размещена в направлении восток-запад и обращена к югу, система концентрации может работать в течение всего года с высокой эффективностью, поскольку установленный угол (около 25 ° ) системы и угол приема (2 × 25 °) вместе в основном покрывают угол высоты над солнцем, который всегда меньше 90 ° в год.



4. Экспериментальная система

На основе принципа концентрационной системы и исследования лоткового коллектора была разработана одна экспериментальная установка, которая показана на рисунке 7.Эта система состоит из желоба солнечного коллектора, оребренной трубы, резервуара для хранения масла, рабочей жидкости и циркуляционных насосов; внутренняя рабочая жидкость — обычное термомасло с максимальной рабочей температурой 350 ° C, плотностью 875 кг / м 3 при 16 ° C и удельной теплоемкостью 2,1 кДж / кг · K при 100 ° C. Длина одной трубки 4 метра. Коэффициент отражения поглотителя составляет около 90%, а параболический отражатель изготовлен из алюминиевой пластины с высоким коэффициентом отражения, показанной на рисунке 8. Существует четыре набора коллекторов, в которых два набора расположены последовательно, а другие — параллельны.Они размещены в направлении восток-запад. Амортизирующая конструкция ствольной коробки представляет собой оребренную пластину, покрытую селективным поглощающим покрытием. Наружная трубка ствольной коробки представляет собой стеклянную трубку откачиваемую. Поэтому ресивер имеет очень хорошие тепловые характеристики.



Одноосная фотоэлектрическая система слежения за солнечными батареями работает с одним двигателем, который приводится в действие солнечным светом. Одно электронное измерительное устройство в системе слежения может определить, находится ли приемник в правильном положении на основе принципа симметрии.Если приемник находится не в лучшем положении, серводвигатель получит управляющий сигнал и будет перемещаться вверх на угол системы слежения, пока приемник не достигнет наилучшего положения.

Ртутный термометр с минимальным делением шкалы 1 ° C использовался для измерения температуры окружающей среды. Подробные технические характеристики приборов, используемых в экспериментальной установке, представлены в таблице 1.


Приборы Диапазон Точность

микросхема измерения средней скорости ветра Каномакс-КА22 0.1–50 м / с ± 0,2%
Турбинный расходомер жидкости / LWYC-15 0–20 л / мин ± 0,5%
32-канальная цифровая запись данных / JLS- XMT −200–600 ° C ± 0,5%
Датчики измерения температуры / Pt100 −20–300 ° C ± 0,1 ° C
Высокотемпературный циркуляционный масляный насос / 120 Вт 0–8 л / мин
Двигатель слежения / 25 Вт

Когда система работает, солнечный свет будет отражаться в трубчатый приемник отражатель.Поглотитель поглотит солнечное излучение и преобразует его в тепло. Тепло будет передаваться рабочему телу во внутренней трубке ресивера. Рабочая жидкость приводится в действие насосом, а тепло будет накапливаться в масляном баке за счет циркуляции. Все трубки хорошо изолированы. Измеряются температуры на входе и выходе солнечного коллектора, а также температура аккумулирования тепла, которые показаны на Рисунке 7.

5. Анализ данных испытаний
5.1. Система тестирования рабочей температуры

Экспериментальная система была установлена ​​в городе Ляньюньган, провинция Цзянсу (119 ° долготы, 34 ° широты).Температура окружающей среды 23–27 ° C; масса масла в теплоаккумуляторе 50 кг. Объемный расход рабочего тела около 5,5 л / мин. Общая площадь апертуры концентратора составляет около 8 м 2 (8 × 1,85 × 0,55 м 2 ). Солнечное излучение обеспечивается расположенной неподалеку небольшой метеостанцией, построенной собственными силами. Испытания проводились 21 и 23 мая 2014 г. Кривые изменения солнечной освещенности и температуры на выходе солнечного коллектора через 5-минутный интервал во времени показаны на рисунке 9.Среднее значение данных испытаний на солнечную радиацию составляет около 850 Вт / м 2 . Для контроля температуры масла в баке пользователю было передано немного тепла, чтобы система не работала при слишком высокой температуре. Как показано на Рисунке 9, 21 мая потребовалось около двух часов, чтобы повысить температуру на выходе солнечного коллектора с 60 ° C до 100 ° C. В десять часов утра температура на выходе достигла 100 ° C. 23 мая она оставалась выше 100 ° C до четырех часов дня. Общий период времени, в течение которого температура на выходе была выше 100 ° C, составляет 6.5 часов. В результате эта система может обеспечивать потребителей тепловой энергией средней температуры.


(а) 25 мая 2014 г.
(б) 21 мая 2014 г.
(а) 25 мая 2014 г.
(б) 21 мая 2014 г.

Изменение температуры разница между выходом и входом солнечных коллекторов во времени показана на рисунке 10. Было обнаружено, что с 9:30 до 14:30 разница температур сохраняется выше 15 ° C 23 мая, особенно во временном диапазоне 11 : 00 и 13:00 разница температур близка к 20 ° C.Это указывает на то, что система по-прежнему имеет относительно высокую эффективность, даже если она работает при температуре более 100 ° C.


(а) 25 мая 2014 г.
(б) 21 мая 2014 г.
(а) 25 мая 2014 г.
(б) 21 мая 2014 г.
5.2. Эффективность сбора в системе

Эффективность коллектора является важным параметром, отражающим производительность коллекторов. Рассчитана средняя эффективность пяти минут в рабочих условиях.Тепло, получаемое коллекторами от солнечного излучения, определяется разницей температур на выходе и входе солнечного коллектора и скоростью потока в трубах. Эффективность коллектора — это отношение тепла к общему солнечному излучению, падающему на коллекторы. Формула расчета выглядит следующим образом: где,,, и — удельная теплоемкость, массовый расход рабочей жидкости, разность температур на выходе и входе солнечных коллекторов, освещенность и общая площадь отверстий коллекторов.мощность циркуляционного насоса; время работы насоса.

Как показано на Рисунке 11, средняя эффективность за пять минут в рабочих условиях может достигать примерно 45 процентов. В дни тестирования эффективность сбора данных системы может оставаться выше 40% в течение более 7 часов. Это демонстрирует, что характеристики солнечного концентратора в системе очень хорошие, по сравнению с традиционным параболоцилиндрическим концентратором. Результаты также показывают, что система более эффективна в полдень, поскольку в этот период угол отклонения меньше.Эффективность будет снижаться утром или днем ​​с увеличением угла отклонения и ослаблением солнечного излучения.


(а) 25 мая 2014 г.
(б) 21 мая 2014 г.
(а) 25 мая 2014 г.
(б) 21 мая 2014 г.
6. Выводы

Представлен и испытан в лаборатории многоповерхностный желоб-концентрирующий солнечный коллектор. Результаты моделирования оптики показывают, что его допуск по отклонению составляет около 8 градусов для системы слежения за коллектором для плоского приемника 90 мм.Результаты экспериментов показывают, что система может легко достигать высоких температур выше 100 ° C в рабочих условиях. Такая ситуация длилась около 6,5 часов. Есть 7 часов времени, в которых средняя эффективность пяти минут превышает 40 процентов. Разница температур между входом и выходом часто превышает 10 ° C, что свидетельствует об очень хороших тепловых характеристиках концентрирующего солнечного коллектора. Он также имеет преимущества широкого угла приема и хорошей устойчивости к пыли, ветру и снегу.Это означает, что солнечный коллектор можно использовать во многих сферах применения солнечной энергии, таких как опреснение, отопление помещений, кондиционирование воздуха и системы горячего водоснабжения. Коммерческий рынок перспективен.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарности

Это исследование было поддержано ключевой программой колледжей и университетов Гуанси (№ 2012ZD063) и Программой науки и технологий колледжей и университетов Гуанси (№2013YB144). Авторы также хотели бы поблагодарить Фонд естественных наук автономного района Внутренняя Монголия, Китай (№ 2013MS0704).

Среднетемпературные концентраторы для солнечных батарей | Международный журнал низкоуглеродных технологий

Абстрактные

Среднетемпературные солнечные тепловые системы вызвали в последние годы значительный интерес как в жилом, так и в промышленном секторах. Солнечные концентрирующие системы могут надлежащим образом служить для таких применений в диапазоне температур 80–250 ° C, используя их характеристики фокусировки солнечного света и высокие тепловые и оптические характеристики.В этой статье рассматриваются и анализируются усовершенствования и разработки в области среднетемпературных солнечных тепловых концентраторов за последние 6 лет. Рассмотрены различные типы солнечных тепловых концентраторов, и проведено критическое сравнение между различными концентраторами на основе производительности и применимости. Также представлены наиболее успешные применения солнечной тепловой энергии вместе с последними разработками в технологиях слежения за солнцем. Было показано, что выбор и конструкция оптимальной системы концентрирования во многом зависит от конкретных характеристик и характера каждого применения.

1 ВВЕДЕНИЕ

Согласно определению Всемирного банка, устойчивость — это: «Развитие, которое отвечает потребностям настоящего без ущерба для способности будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности» [1]. Энергия имеет тенденцию быть основным игроком в достижении устойчивого развития, основанного на резком увеличении мирового потребления энергии за последние несколько десятилетий, сопровождаемом установленной взаимосвязью между последними технологическими достижениями и моделями потребления энергии.Более того, создание устойчивого и безопасного энергетического сектора в настоящее время является основной задачей для достижения устойчивости на экологическом, социальном и экономическом уровнях [2]. Вот почему правительства, академические учреждения и промышленные секторы запустили различные программы для разработки новых энергетических технологий, улучшения методов повышения энергоэффективности и поиска альтернативных и чистых источников энергии. На рисунке 1 показан рост мирового потребления энергии за последние 20 лет (черные столбцы) с прогнозируемым увеличением потребления в ближайшие два десятилетия (серые столбцы) [3].Показано, что мировое потребление энергии увеличилось с ~ 8108 Мтнэ в 1990 году до 12 002 Мтнэ в 2010 году с прогнозируемым увеличением до 16 631 Мтнэ в 2030 году. Однако, по данным Международного энергетического агентства (МЭА), растущий спрос в потребление энергии в течение следующих 25 лет потребует около 22 триллионов долларов новых инвестиций в энергетический сектор [4].

Рисунок 1.

Общее мировое потребление энергии в Мтнэ [3].

Рисунок 1.

Общее мировое потребление энергии в Мтнэ [3].

Помимо ускоренного роста мирового потребления энергии, глобальное изменение климата стало актуальной мировой проблемой. Выбросы парниковых газов, высвобождаемые в основном из-за потребления ископаемого топлива и традиционных энергоресурсов, являются основными движущими силами в разрушительной проблеме глобального потепления. В ответ на эту ситуацию многие исследователи концентрируются на улучшении новых мер по повышению энергоэффективности, разработке экологически безопасных устройств и компонентов и поиске эффективных методов производства энергии.Однако основным и наиболее эффективным решением для сокращения выбросов парниковых газов и достижения безопасного и устойчивого энергетического сектора будет переход на чистые, экологически безопасные и энергоэффективные возобновляемые ресурсы. Среди этих экологически чистых возобновляемых источников энергии солнечная энергия представляет собой привлекательный и осуществимый вариант с большим количеством бесплатной солнечной энергии, доступной в течение года по всему миру.

Солнце является основным источником энергии для каждой жизни на Земле, и даже ископаемые виды топлива, включая нефть, уголь и природный газ, являются своего рода хранилищами солнечной энергии, сформированной из тел организмов, которые жили миллионы лет назад на Земле. прошлые годы [5].Рисунок 2 показывает, что прямая солнечная энергия в ~ 2850 раз превышает общую энергию, которая нам нужна в настоящее время в глобальном масштабе, поэтому нам нужно только 0,035% солнечной энергии, чтобы обеспечить весь мировой спрос на энергию [6]. Однако та часть, которая в настоящее время используется людьми во всем мире, составляет лишь крошечную часть солнечной энергии, поступающей на Землю каждый год, при этом около 80% мировой энергии, потребляемой для обеспечения тепла, света и электроэнергии, основано на традиционных ископаемых видах топлива, которые содержат много энергии. негативное влияние на экономику и окружающую среду [7].

Рисунок 2.

Интенсивность использования различных альтернативных энергетических технологий [6].

Рисунок 2.

Интенсивность использования различных альтернативных энергетических технологий [6].

С другой стороны, прерывистый и непостоянный характер солнечной энергии со значительными сезонными колебаниями в интенсивности побудил к исследованиям и разработке концентрирующих солнечных систем с передовыми устройствами слежения, чтобы максимизировать количество производимой солнечной энергии и улучшить общую эффективность [8].В этой статье представлены и проанализированы усовершенствования в области концентраторов средней температуры для солнечных тепловых систем за последние 6 лет. Кроме того, дается краткий обзор последних применений солнечной энергии. Рассмотрены различные типы среднетемпературных солнечных концентраторов с учетом последних достижений в технологии производства тепловой энергии путем концентрации солнечной энергии. Критическое сравнение и процедура оценки проводится среди различных концентраторов на основе производительности, применимости и осуществимости.Кроме того, рассматриваются последние разработки в технологиях слежения за солнцем.

2 СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

В последние годы солнечная энергия использовалась в различных приложениях, которые можно разделить на две основные категории: солнечные тепловые приложения и солнечные электрические источники энергии. Огромное количество исследований было проведено в области солнечной энергии, и были достигнуты значительные улучшения в эффективности сбора и преобразования солнечного излучения в полезную энергию.Обсуждение в этом разделе будет сосредоточено на приложениях и технологиях, которые включают использование интенсивности солнечного излучения для производства полезной тепловой энергии. Некоторые тепловые применения солнечной энергии в жилом и промышленном секторах показаны на Рисунке 3. Ниже приводится краткий обзор широко распространенных и успешных применений солнечной энергии.

Рисунок 3.

Применение солнечной тепловой энергии [6].

Рисунок 3.

Применение солнечной тепловой энергии [6].

2.1 Горячее водоснабжение

Большинство солнечных коллекторов, установленных по всему миру, используются для горячего водоснабжения, покрытия потребностей в ванной, раковине и душе, а также кухонной мойке. Более того, такие системы день ото дня становятся все более популярными, и в этой области внедряется много новых технологий, позволяющих более эффективным, компетентным и надежным системам выйти на рынок. Солнечные системы с горячей водой делятся на пассивные системы, в которых не требуется насос для циркуляции рабочей жидкости, и активные системы, включающие перекачку жидкости через систему.Кроме того, солнечные водонагревательные системы можно различить по используемому методу теплопередачи и потребности в теплообменнике. В прямых системах или системах с открытым контуром вода непосредственно нагревается в солнечном коллекторе и передается в резервуар для горячей воды. Однако косвенные системы зависят от замкнутого контура жидкости с низкой температурой замерзания, нагреваемой солнечным коллектором, а передача тепла воде внутри резервуара для хранения достигается через теплообменник [7]. Большинство солнечных систем горячего водоснабжения также имеют в качестве резервного обычный дополнительный масляный, газовый, твердотопливный или электрический водонагреватель.Проблемы, связанные с проектированием, оптимизацией, мониторингом и маркетингом больших систем, в целом преодолены, и в этом секторе рынка наблюдается значительный рост.

2.2 Отопление помещений

Активное солнечное отопление используется для поддержки традиционной системы отопления при длительном отопительном сезоне в холодных регионах. Комбинированные системы водяного и космического отопления, или так называемые комбинированные системы, распространены в Китае, Австрии, Германии и в Восточной Европе, и в некоторых случаях они могут покрывать ∼10–30% и даже больше от всей потребности в тепле [9].В большинстве этих систем используется теплоноситель на водной основе и специальный изолированный резервуар для хранения воды в качестве накопителя тепла для усиления стратификации и, таким образом, повышения эффективности всей системы отопления помещения. В некоторых системах в качестве теплоносителя используется воздух, а коллекторы горячего воздуха все чаще используются в сочетании с системами теплого воздуха в цехах, на заводах и в зданиях с низким энергопотреблением. В настоящее время солнечное отопление может быть реализовано в централизованных и децентрализованных системах отопления.Солнечная система отопления помещений интегрируется с системой отопления главного здания в зависимости от конструкции системы и конфигурации системы отопления.

2.3 Охлаждение и охлаждение помещений

В дополнение к различным преимуществам и преимуществам, предоставляемым солнечной энергией в качестве альтернативного ресурса, совпадение между потребностью в охлаждении и охлаждении и летними солнечными днями с самой высокой интенсивностью излучения побуждает использовать эту солнечную энергию для охлаждения.Применения солнечного охлаждения можно разделить на две основные категории: охлаждение помещений и охлаждение пищевых продуктов и лекарств. В этой области были разработаны различные технологии, включая циклы абсорбционного охлаждения, циклы адсорбции и интегрированные циклы солнечного и обычного механического сжатия. Гостиницы и рестораны, а также больницы и общественные здания часто имеют высокие потребности в кондиционировании воздуха, особенно в солнечные летние дни, поэтому солнечные системы можно интегрировать с существующими системами кондиционирования воздуха с тепловым приводом или использовать для питания независимого абсорбционного или адсорбционного теплового насоса. Ед. изм.

2.4 Применение в сельском хозяйстве и промышленности

Одно из самых древних применений солнечной тепловой энергии — это сушка пищевых продуктов, которая может быть очень простой и дешевой благодаря системам, разработанным и изготовленным самими фермерами. Для сушки солнечным светом были разработаны передовые методы, включая установку вторичной герметичной крыши под первичной крышей здания или сарая. Такие системы очень распространены в Скандинавии и южной Европе, где воздух нагревается между двумя крышами и может использоваться для сушки фруктов, овощей и других сельскохозяйственных продуктов.Классические области применения солнечной тепловой энергии включают также винодельни, молочные фермы и пивоварни, где солнечное тепло используется для мытья, кипячения, стерилизации и пастеризации. Солнечные системы могут помочь в отбеливании и окрашивании в текстильной промышленности, а также в различных химических процессах, включая кипячение и дистилляцию [10]. Кроме того, солнечная энергия может использоваться для предварительного нагрева воды, используемой в различных промышленных процессах и приложениях, в широком диапазоне температур от очистки до производства пара.

Другие распространенные и успешные применения солнечной тепловой энергии включают солнечные плиты, солнечные системы дистилляции и опреснения, централизованное отопление, обогрев плавательных бассейнов, солнечные пруды, солнечные дымоходы и высокотемпературные солнечные тепловые электростанции для производства электроэнергии.

3 КОНЦЕНТРАТОРА СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Солнечный коллектор является сердцем любой солнечной тепловой системы, а эффективный солнечный коллектор способен поглощать падающее излучение и преобразовывать его в полезную тепловую энергию для нагрева рабочей жидкости с минимальными оптическими и тепловыми потерями.Обычно солнечные коллекторы делятся на концентрирующие и неконцентрирующие. В неконцентрирующих коллекторах площадь сбора солнечного излучения равна площади поглощения излучения. С другой стороны, солнечные концентрирующие системы основаны на концепции фокусировки солнечного излучения посредством большей площади сбора на соответственно меньшую площадь поглощения приемника. Для среднетемпературных гелиотермических приложений с диапазоном температур 80–250 ° C концентрирующие системы или так называемые солнечные концентраторы подходят для максимизации потока солнечной тепловой энергии [11].Стандартный солнечный концентратор состоит из одного или нескольких сборных зеркал, абсорбционного приемника, несущей конструкции, теплообменника, теплоносителя, насосов и трубопроводов. Некоторые солнечные концентраторы содержат системы слежения за солнцем и / или методы аккумулирования тепла в зависимости от применения и рассматриваемой конфигурации. Концентрирующие коллекторы делятся на две основные категории: системы фокусировки линии и системы фокусировки точки. Системы линейной фокусировки используют линейный приемник и фокусируют солнечное излучение вдоль одной оси, тогда как системы точечной фокусировки фокусируют излучение на точечный приемник с двухосевым отслеживанием солнца.Системы фокусировки линии включают параболические желобные коллекторы (PTC), линейные отражатели Френеля (LFR) и составные параболические концентраторы (CPC) и могут достигать температур в диапазоне 250 ° C с большей простотой и надежностью в конструкции и эксплуатации. С другой стороны, системы точечной фокусировки могут достигать температуры выше 500 ° C, но они более дороги, включая солнечные башни и солнечные тарелки [12]. В таблице 1 сравниваются различные технологии концентрирования солнечной энергии на основе тепловых характеристик.Наше исследование будет сосредоточено на среднетемпературных солнечных тепловых приложениях, которые могут быть в достаточной степени обслужены линейно-фокусирующими солнечными концентраторами с максимальной выходной температурой 250 ° C.

Таблица 1.

Сравнение производительности различных технологий концентрирования солнечной энергии [55–57].

Коэффициент землепользования (площадь апертуры / площадь земельного участка)
Технология обогащения . Параболические желобные концентраторы . Линейные отражатели Френеля . Солнечные башни . Солнечные тарелки .
Тип фокусировки Линейный фокус Линейный фокус Точечный фокус Точечный фокус
Тип поглощающего приемника Мобильный Фиксированный мобильный Оптический Фиксированный 70–80% <70% <70% 75–85%
Рабочая жидкость Вода, пар, синтетическое масло Вода, пар Вода, пар, воздух Воздух
Температура нагрева на выходе (° C) До 400 До 400 До 500 До 900
Соотношение концентраций (апертура зеркала / апертура поглотителя) 50–90 35–170 600–1000 До 3000
Состояние разработки Имеется в продаже Коммерчески доступные Полукоммерческие Демонстрации прототипов
Материальный спрос (кг / м 2 ) 120–140 30–130 100–250 300143–400 0.25–0,4 0,6–0,8 0,2–0,25 0,2–0,25
Варианты интегрированного хранения Материалы с фазовым переходом, вода, расплавленная соль Материалы с фазовым переходом, вода Расплавленная соль, бетон, фаза заменить материал Нет доступных вариантов хранения
Коэффициент землепользования (площадь апертуры / площадь земельного участка)
Технология концентрирования . Параболические желобные концентраторы . Линейные отражатели Френеля . Солнечные башни . Солнечные тарелки .
Тип фокусировки Линейный фокус Линейный фокус Точечный фокус Точечный фокус
Тип поглощающего приемника Мобильный Фиксированный мобильный Оптический Фиксированный 70–80% <70% <70% 75–85%
Рабочая жидкость Вода, пар, синтетическое масло Вода, пар Вода, пар, воздух Воздух
Температура нагрева на выходе (° C) До 400 До 400 До 500 До 900
Соотношение концентраций (апертура зеркала / апертура поглотителя) 50–90 35–170 600–1000 До 3000
Состояние разработки Имеется в продаже Коммерчески доступные Полукоммерческие Демонстрации прототипов
Материальный спрос (кг / м 2 ) 120–140 30–130 100–250 300143–400 0.25–0,4 0,6–0,8 0,2–0,25 0,2–0,25
Варианты интегрированного хранения Материалы с фазовым переходом, вода, расплавленная соль Материалы с фазовым переходом, вода Расплавленная соль, бетон, фаза изменить материал Нет доступных вариантов хранения
Таблица 1.

Сравнение производительности различных технологий концентрирования солнечной энергии [55–57].

Коэффициент землепользования (площадь апертуры / площадь земельного участка)
Технология обогащения . Параболические желобные концентраторы . Линейные отражатели Френеля . Солнечные башни . Солнечные тарелки .
Тип фокусировки Линейный фокус Линейный фокус Точечный фокус Точечный фокус
Тип поглощающего приемника Мобильный Фиксированный мобильный Оптический Фиксированный 70–80% <70% <70% 75–85%
Рабочая жидкость Вода, пар, синтетическое масло Вода, пар Вода, пар, воздух Воздух
Температура нагрева на выходе (° C) До 400 До 400 До 500 До 900
Соотношение концентраций (апертура зеркала / апертура поглотителя) 50–90 35–170 600–1000 До 3000
Состояние разработки Имеется в продаже Коммерчески доступные Полукоммерческие Демонстрации прототипов
Материальный спрос (кг / м 2 ) 120–140 30–130 100–250 300143–400 0.25–0,4 0,6–0,8 0,2–0,25 0,2–0,25
Варианты интегрированного хранения Материалы с фазовым переходом, вода, расплавленная соль Материалы с фазовым переходом, вода Расплавленная соль, бетон, фаза заменить материал Нет доступных вариантов хранения
Коэффициент землепользования (площадь апертуры / площадь земельного участка)
Технология концентрирования . Параболические желобные концентраторы . Линейные отражатели Френеля . Солнечные башни . Солнечные тарелки .
Тип фокусировки Линейный фокус Линейный фокус Точечный фокус Точечный фокус
Тип поглощающего приемника Мобильный Фиксированный мобильный Оптический Фиксированный 70–80% <70% <70% 75–85%
Рабочая жидкость Вода, пар, синтетическое масло Вода, пар Вода, пар, воздух Воздух
Температура нагрева на выходе (° C) До 400 До 400 До 500 До 900
Соотношение концентраций (апертура зеркала / апертура поглотителя) 50–90 35–170 600–1000 До 3000
Состояние разработки Имеется в продаже Коммерчески доступные Полукоммерческие Демонстрации прототипов
Материальный спрос (кг / м 2 ) 120–140 30–130 100–250 300143–400 0.25–0,4 0,6–0,8 0,2–0,25 0,2–0,25
Варианты интегрированного хранения Материалы с фазовым переходом, вода, расплавленная соль Материалы с фазовым переходом, вода Расплавленная соль, бетон, фаза заменить материал Нет доступных вариантов хранения

3.1 Составной параболический концентратор

Составные параболические солнечные концентраторы (CPC), которые классифицируются как солнечные коллекторы без визуализации, зависят от концепции множественных внутренних отражений внутри коллектора.Коллекторы CPC способны улавливать и отражать падающее солнечное излучение на поглотитель в широком диапазоне углов. Типичный эскиз цилиндрического CPC показан на Рисунке 4 [13], который представляет собой отражающий внутрь профиль двух параболических сторон (AC) и (BD). Количество солнечного излучения, перехваченного концентратором, напрямую связано с длиной входной апертуры (CD) и углом приема 2 θ , где апертура (AB) позволяет концентрировать солнечное излучение на поглотителе.Для CPC всегда предусмотрена стеклянная крышка для поддержания хорошего уровня отражательной способности коллектора от пыли и других частиц любого типа.

Рисунок 4.

Эскиз цилиндрической КПК [13].

Рисунок 4.

Эскиз цилиндрической КПК [13].

Различные исследования изучали производительность и применимость составных параболических солнечных концентраторов. Обсуждения были сосредоточены на повышении эффективности концентраторов этого типа за счет внедрения новых материалов и методов сбора и поглощения солнечного излучения с минимальными оптическими и тепловыми потерями.Грасс и др. . [14] исследовали два типа CPC солнечных коллекторов без визуализации, представленных на рисунке 5. Первый коллектор (рисунок 5a) представляет собой концентратор CPC с трубкой поглотителя, покрытой вакуумированной стеклянной трубкой и сопровождаемой внешним отражателем. Другая конструкция коллектора (рис. 5b) состоит из U-образного поглотителя с селективным покрытием и прозрачной антибликовой крышкой.

Рисунок 5.

Концентратор солнечной энергии

CPC с ( a ) внешним отражателем и ( b ) поглотителем с U-образной трубкой [14].

Рисунок 5.

Концентратор солнечной энергии

CPC с ( a ) внешним отражателем и ( b ) поглотителем с U-образной трубкой [14].

Интересное исследование было проведено Чиндой и др. . [15], которые выполнили параметрический анализ для оценки тепловых характеристик CPC. Они обнаружили, что увеличение массового расхода теплоносителя повысит эффективность коллектора, но снизит температуру на выходе из концентратора.Они рекомендовали использовать коллекторы CPC с короткой приемной линией и довольно длинными приемными системами и указали, что избирательные покрытия и эффективные отражающие материалы могут улучшить общие характеристики солнечного концентратора. Более того, Баттингер и др. . [16] разработали новый солнечный коллектор CPC, который сочетает в себе преимущества концентрирующих параболических коллекторов и стабильность плоских стационарных систем. Усовершенствованный плоский стационарный вакуумный солнечный коллектор CPC был разработан с целью объединения абсорбирующей трубки и отражателя внутри корпуса низкого давления с приемлемыми оптическими и тепловыми характеристиками.Новый коллектор с площадью апертуры 2 м 2 был испытан с использованием газообразного криптона при давлении 10 мбар, и эффективность 50% была достигнута при температуре 150 ° C и интенсивности излучения 1000 Вт / м 2 .

Угол приема солнечного коллектора CPC играет важную роль в определении оптимальной ориентации коллектора и разработке наиболее подходящей интегрированной системы слежения. Апертура стационарного коллектора CPC всегда направлена ​​к экватору под углом, равным местной широте, а его ось ориентирована либо в направлении север-юг, либо в направлении восток-запад, в зависимости от конкретного применения и региона эксплуатации.Солнечные концентраторы CPC с большим углом приема могут улучшить улавливание диффузного излучения, но это приведет к уменьшению степени концентрации коллектора. Ким и др. . [17] исследовали тепловые характеристики CPC с цилиндрическим поглотителем, снабженным одноосной системой слежения. Они сравнили производительность следящего концентратора с обычным стационарным коллектором CPC. На основе численного анализа и расчетов они сообщили о 14.Повышение на 9% теплового КПД отслеживающего откачанного CPC по сравнению с обычным стационарным коллектором.

3.2 Параболический желоб-концентратор

Параболические солнечные концентраторы (PTC) сконструированы на основе принципа фокусировки пучка прямого солнечного излучения на фокальную линию параболического коллектора [18]. Как показано на рисунке 6, солнечный концентратор состоит в основном из одного или нескольких концентрирующих зеркал, поглощающего приемника и металлической опорной конструкции.Зеркала параболической формы отвечают за улавливание и отражение прямого солнечного излучения на приемную трубку вдоль фокальной линии концентратора. Стеклянные листы термически изогнуты, чтобы обеспечить эффективную концентрирующую зеркальную фазу со специальным отражающим покрытием, нанесенным для оптимальной концентрации света на приемнике. Концентраторы PTC — это коллекторы с линейным фокусом, и сердцем этой технологии является линия приемника, оптические и тепловые характеристики которой жизненно важны для работы любого параболического концентратора.Приемник содержит абсорберную трубку, обычно из стали с селективным поверхностным покрытием и окруженную вакуумированной прозрачной стеклянной трубкой с антибликовым покрытием и высокой проницаемостью для уменьшения конвективных тепловых потерь [19]. Основная цель при проектировании приемной линии любого коллектора PTC — достижение высокой поглощающей способности коротковолнового излучения и низкой излучательной способности длинноволнового излучения для повышения эффективности теплопередачи рабочей жидкости, циркулирующей через приемную трубку.Концентраторы PTC имеют широкий спектр применений для средних солнечных тепловых систем от систем перекачки воды и опреснения до сложных промышленных технологических процессов с рабочей температурой до 250 ° C.

Рисунок 6.

Солнечный параболический желобный концентратор [54].

Рис. 6.

Солнечный параболический желобный концентратор [54].

Значительное количество исследований было проведено в области солнечных параболических желобных концентраторов с целью разработки новых инновационных технологий и материалов для улучшения рабочих характеристик и эффективности таких коллекторов [20, 21].Новая конструкция солнечного концентратора для получения изображений была представлена ​​Тао и др. . [22] с несколькими изогнутыми фокусирующими поверхностями для замены обычной одиночной фокусирующей поверхности. Они обнаружили, что новая конструкция может значительно помочь в улучшении интенсивности отражения солнечного излучения, когда приемник одновременно нагревается нижней и верхней поверхностями параболического концентратора. Они заявили, что производительность параболического желобного концентратора в значительной степени зависит от ширины солнечного коллектора и конструкции приемной линии.Коэффициент концентрации новой обогатительной фабрики находится в среднем диапазоне между концентраторами CPC и PTC. Аль-Суд и др. . [23] разработали солнечную плиту, включающую параболический концентратор с двухосной системой слежения за солнечным светом, оснащенную логическим контроллером для точного управления движением. Они достигли температуры воды 90 ° C внутри солнечной плиты в летних условиях при температуре окружающей среды 36 ° C и рекомендовали использовать плиту для подогрева еды и напитков и пастеризации молока.Бакос [24] исследовал влияние непрерывной двухосной системы слежения на работу солнечного концентратора с параболическим желобом. Была проведена экспериментальная работа, и новая конструкция ПТК с системой слежения сравнивалась с коллектором с неподвижной поверхностью, наклоненной на юг. Основываясь на полученных результатах, отслеживание солнечного света позволило на 46% улучшить собираемую энергию параболическим концентратором.

Различные типы и конструкции коммерческих коллекторов PTC были разработаны и нашли свой путь на рынок с различными приложениями в последние годы [18].Улучшения касаются процесса производства, новых материалов для зеркала и приемника коллектора, поглощающих и отражающих слоев покрытия, несущих конструкций, рабочих жидкостей и систем слежения. Две инновационные модели PTC были разработаны IST Corporation: модель параболического желоба (PTI) и модель параболического желоба для установки на крышу (RMT) с черным абсорбером с никелевым покрытием и отражателем из акрилового алюминия [25]. Австрийский институт устойчивых технологий усовершенствовал инновационный параболический концентратор Parasol с невакуумной поглотительной трубкой с селективным покрытием и алюминиевым коллекторным зеркалом, защищенным стеклянной крышкой для сохранения характеристик отражения [26].Измеренные и рассчитанные кривые эффективности для модели параболического желоба Parasol показаны на рисунке 7. Было продемонстрировано, что общий термический КПД параболического желоба может быть увеличен за счет вакуумирования крышки стеклянного поглотителя. Кроме того, модель PTC-1800 с поглотителем из нержавеющей стали и невакуумной стеклянной колбой была представлена ​​компанией Solitem [27]. Австралийская компания NEP представила другую модель параболических солнечных концентраторов, NEP SOLAR Polytrough 1200, с трубкой поглотителя из нержавеющей стали и алюминиевой зеркальной поверхностью с полимерным листовым покрытием [28].Другие коммерческие параболические солнечные концентраторы с максимальным выходом температуры 250 ° C включают модель PTC-1000, разработанную Немецким институтом SIJ [29], и итальянскую модель SHAP [30].

Рис. 7.

Кривая эффективности концентратора параболического желоба Parasol [26].

Рис. 7.

Кривая эффективности концентратора параболического желоба Parasol [26].

3.3 Линейный отражатель Френеля

LFR — еще одна технология концентрации солнечной энергии, которая вызвала большой интерес в последние годы и зарекомендовала себя как весьма эффективная и многообещающая для среднетемпературных солнечных тепловых систем.Работа концентратора LFR очень похожа на работу концентратора параболического желоба; однако он заменяет большие параболические изогнутые зеркала массивом меньших линейных или слегка изогнутых зеркальных полос, которые отражают солнечное излучение на линию приема, установленную над ними, как показано на рисунке 8 [31]. Типичный линейный концентратор Френеля состоит из трех основных частей: небольших плоских зеркальных полос, приемника, поглощающего линию, и несущей конструкции. Как и в случае коллекторов PTC, поглощающий приемник является наиболее важной частью концентратора LFR, и правильная конструкция приемной линии жизненно важна для достижения эффективных и надежных характеристик концентратора.Нанесение слоя селективного покрытия на абсорбирующую трубку может улучшить поглощение солнечного излучения и позволить нагревать рабочую жидкость, циркулирующую по линии приемника, с минимальными выбросами длинноволнового излучения и меньшими конвективными тепловыми потерями. Было предпринято несколько попыток улучшить характеристики трубки поглотителя LFR либо путем нанесения селективного поверхностного покрытия [32], либо путем заключения поглотителя в вакуумированную стеклянную крышку, чтобы минимизировать тепловые потери за счет конвекции [33].Концентраторы LFR в последнее время используются во многих областях, включая нагрев воды, перекачивание солнечной энергии, приготовление пищи на солнечной энергии, обогрев и охлаждение помещений, в дополнение к полезному вкладу в различных областях, обеспечивающих промышленное технологическое тепло [34].

Рисунок 8.

Солнечный концентратор LFR [31].

Рисунок 8.

Солнечный концентратор LFR [31].

В последние годы появилось все больше литературы, исследующей солнечные концентраторы LFR и их применимость в области среднетемпературных солнечных тепловых систем.Исследования и дискуссии были сосредоточены на выборе материалов для коллектора, конструктивных аспектах зеркальных полос и приемной линии, ориентации концентратора и интеграции систем слежения [35, 36]. Чжай и др. . [37] представили линейный концентратор Френеля со встроенной одноосевой системой слежения и абсорбирующую трубку с вакуумированной стеклянной крышкой. Было проведено теоретическое и экспериментальное исследование, и общий тепловой КПД 52% был достигнут при температуре воды 90 ° C, что на 9% выше, чем у обычных вакуумных солнечных коллекторов.Концентратор способен обеспечивать температуру воды не более 200 ° C с приемлемой эффективностью 50%. Они заметили, что оптические потери составляют основную часть потерь энергии, составляющих около 40% солнечного излучения. Кроме того, они сравнили производительность линейного концентратора Френеля с обычным вакуумным солнечным коллектором. Как показано на рисунке 9, они пришли к выводу, что линейный концентратор Френеля более эффективен для среднетемпературных применений или при низкой интенсивности облучения, где x = ( T м T a ) / G , T м , средняя температура теплоносителя, T a , температура окружающего воздуха и G , общая освещенность, полученная солнечным коллектором.

Рисунок 9.

Сравнение кривых теплового КПД концентратора Френеля и вакуумированного солнечного коллектора [37].

Рисунок 9.

Сравнение кривых теплового КПД концентратора Френеля и вакуумированного солнечного коллектора [37].

Новый резонаторный поглотитель в приемной линии концентратора LFR вместо обычной поглотительной трубки был исследован Шуай и др. . [38] с целью улучшить изоляционные и абсорбционные характеристики поглотителя и снизить тепловые потери.Кроме того, Сингх и др. предложил линейный концентратор Френеля с четырьмя поглотителями с трапециевидной полостью. [39], как показано на Рисунке 10. Они исследовали прямоугольные и круглые секции трубы поглотителя с краской для доски и селективным никелевым покрытием. Три стороны поглотителей полости были изолированы, а с четвертой стороны было предусмотрено плоское отражающее стекло. Они сообщили, что круглые абсорбирующие трубы позволяют повысить эффективность на 8% по сравнению с прямоугольными трубами, и что селективное никелевое покрытие обеспечивает лучшие характеристики, чем черная краска.Чжан и др. . [40] провели теоретические и экспериментальные исследования различных стеклянных крышек LFR с резонаторным приемником и пришли к выводу, что полукруглая крышка является оптимальной. Оптические и тепловые характеристики лайнер-концентратора Френеля с трапециевидным резонатором были проанализированы Факао и Оливейрой [41]. Упрощенные процедуры трассировки лучей и вычислительной гидродинамики были использованы для оптимизации глубины полости поглотителя и толщины изоляции из минеральной ваты. Основываясь на своей оптимизации, они предложили наклон боковых стенок полости 50 ° и толщину минеральной ваты 35 мм как приемлемые как для изоляции, так и для затенения.

Рисунок 10.

Поглотитель с трапециевидной полостью и круглыми трубками [39].

Рисунок 10.

Поглотитель с трапециевидной полостью и круглыми трубками [39].

4 СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО СЛЕЖЕНИЯ

Из-за вращения Земли вокруг Солнца положение Солнца на небе меняется в течение дня и в любое время года, что приводит к значительным изменениям и колебаниям солнечного света. Интенсивность солнечного излучения, принимаемого солнечным концентратором, в основном зависит от угла падения солнечных лучей на поверхность солнечного коллектора.Системы слежения за солнцем используются для изменения угла падения света и выравнивания зеркал солнечного концентратора в оптимальном направлении, чтобы максимизировать количество поглощаемой солнечной радиации и, таким образом, улучшить производство солнечной тепловой энергии. Стандартная система слежения за солнцем состоит из алгоритма слежения за солнцем, блока контроллера, системы позиционирования и приводного механизма в дополнение к датчикам и переключателям [42]. Предварительно определенный алгоритм отслеживания анализируется и выполняется в блоке управления, предписывая системе позиционирования сориентировать солнечный коллектор под оптимальным углом с помощью приводов и шестерен, чтобы максимизировать выход энергии.Эффективная система слежения характеризуется высокой оптической и геометрической точностью, надежной и гибкой конструкцией, устойчивостью к коррозии и ветру, минимальными тепловыми потерями и низкой стоимостью и потребляемой мощностью [43].

Одноосные системы слежения за солнцем подходят для среднетемпературных солнечных тепловых концентраторов и предназначены для отслеживания Солнца по горизонтальной или вертикальной оси. Двухосные или двухосные системы слежения более сложны и дороги и могут отслеживать Солнце и выравнивать солнечный концентратор как по вертикальной, так и по горизонтальной осям [44].Как правило, системы слежения за солнцем делятся на пассивные или разомкнутые трекеры и активные или замкнутые трекеры. Пассивные системы слежения не используют фотодатчики для отслеживания солнца и зависят от подхода с открытым контуром, основанного на математическом алгоритме и заранее определенных формулах для управления определенными исполнительными механизмами и двигателями устройств [45]. В случае активных систем слежения, включая трекеры на основе электрооптических датчиков и вспомогательные двусторонние устройства слежения на солнечных элементах, фотодатчики выдают сигналы обратной связи на основе концепции затенения света, как показано на рисунке 11 [46].Пассивные системы намного дешевле с простой конструкцией, но активные системы более эффективны, обеспечивая лучшую компенсацию любых помех во время работы концентратора. В последнее время было проведено несколько исследований для изучения различных аспектов в области систем слежения за солнцем либо для одноосных систем [47], либо для двухосных трекеров [24, 48]. Прирост производства солнечной тепловой энергии за счет установки системы слежения за солнцем может составлять от 20 до 100% в течение дня и от 20 до 40% в год в зависимости от географического района и климатических условий [49].

Рисунок 11.

Замкнутая диаграмма слежения за солнечным светом [46].

Рис. 11.

Замкнутая диаграмма слежения за солнечным светом [46].

5 СРАВНЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

Среднетемпературные солнечные тепловые системы с рабочей температурой 80–250 ° C не могут должным образом обслуживаться обычными неконцентрирующими коллекторами, включая плоские коллекторы и вакуумные солнечные трубки. Таким образом, использование солнечных концентраторов для таких применений имеет жизненно важное значение для нагрева рабочей жидкости, циркулирующей через абсорберную трубку коллектора, до 250 °, используя преимущества прямой фокусировки солнечного луча и солнечных отражающих поверхностей внутри концентратора.По сравнению с неконцентрирующими коллекторами, солнечные концентраторы могут достигать более высокого теплового КПД с меньшими конвективными потерями из-за компактной площади поглощения солнечного излучения, обеспечиваемой единственной поглощающей линией приемника. Обычные плоские и вакуумные солнечные тепловые коллекторы способны улавливать как прямое, так и рассеянное солнечное излучение; однако солнечные концентрирующие системы могут собирать небольшую часть рассеянного света, что требует использования системы слежения для улучшения фокусировки луча солнечного излучения в течение всего дня.Это усложняет конструкцию системы концентратора и требует более высоких уровней обслуживания. Следовательно, при проектировании любой солнечной концентрирующей системы необходимо проводить процесс оптимизации для достижения высоких тепловых и оптических характеристик с приемлемой надежностью и минимальной механической сложностью. Среди солнечных концентраторов, которые мы рассмотрели для среднетемпературных солнечных тепловых приложений, выбор подходящего концентратора вместе с методами и материалами определяется многими факторами, включая рабочую температуру, характер и сложность применения, оптические и тепловые свойства коллектора, бюджет проекта и климатические условия.Составные параболические солнечные концентраторы сравнивались с обычными плоскими коллекторами и вакуумными солнечными трубками и были признаны подходящими для среднетемпературных солнечных тепловых приложений 150 ° C и выше, как показано на Рисунке 12 [50]. Одноосный отслеживающий концентратор CPC может улучшить тепловой КПД на ~ 15%, обеспечивая более высокие температуры рабочей жидкости по сравнению с обычным коллектором CPC, несмотря на дополнительную стоимость и сложность конструкции [17].

Рисунок 12.

Сравнение эффективности концентраторов КТК и неконцентрирующих коллекторов [50].

Рисунок 12.

Сравнение эффективности концентраторов CPC и неконцентрирующих коллекторов [50].

При сравнении технологий PTC и LFR следует учитывать различные аспекты, включая тепловые и оптические свойства каждого концентратора, приемной линии и зеркал, гибкость конструкции и надежность, а также экономическую целесообразность. По сравнению с коллекторами PTC, технология LFR обеспечивает большую простоту и гибкость конструкции поля отражателя за счет использования дешевых небольших и плоских зеркальных полос вместо больших дорогих изогнутых зеркал, используемых в параболических концентраторах.Линия приемника концентратора LFR является фиксированной, а поле отражателя вращается вокруг, чтобы сфокусировать излучение на поглотителе, а вторичное отражающее зеркало обычно используется над приемником; в то время как приемная линия в технологии PTC предназначена для вращения вместе со всеми отражающими параболическими зеркалами. Это обеспечивает большую простоту и структурную стабильность концентраторов LFR с меньшим количеством необходимых материалов и соединений. С другой стороны, оптическая эффективность LFR-систем ниже, чем у PTC-систем из-за двойного отражения и горизонтального расположения плоских зеркальных полос [51].Когда есть ограниченное пространство, концентраторы LFR предпочтительны, но с проблемой взаимного затенения между соседними полосами зеркала отражателя. Эта проблема была преодолена за счет разработки компактных LFR, использующих несколько приемных линий и допускающих дополнительные варианты ориентации зеркал [52].

С другой стороны, Хуанг и др. . [53] исследовали влияние коэффициента геометрической концентрации (GC), определяемого как площадь апертуры солнечного коллектора, деленная на площадь поверхности поглощающего приемника, на производительность параболического желоба солнечного концентратора с линией приемника вакуумной трубки.Как показано на рисунке 13, оптическая эффективность параболического концентратора обратно пропорциональна коэффициенту GC. Наиболее важной частью при разработке любого солнечного концентратора является приемная линия, которая будет отвечать за поглощение солнечного излучения, отраженного зеркалами, и, таким образом, нагрев рабочего тела до желаемой выходной температуры. Конструкция трубки поглотителя направлена ​​на улучшение поглощения коротковолнового излучения и уменьшение эмиссии длинноволнового излучения. Это может быть достигнуто путем нанесения селективного поверхностного покрытия на стальную трубку поглотителя с вакуумированной стеклянной трубкой в ​​качестве покрытия для подавления конвективных потерь [12].Выбор рабочего теплоносителя зависит от желаемой выходной температуры, характеристик каждого применения и рабочих условий окружающей среды. В солнечных концентраторах используются различные типы рабочих жидкостей, включая воду под давлением или смесь воды и гликоля для температур ниже 200 ° C и различные типы термомасла для более высоких температур [19]. Если используется система слежения, солнечные концентраторы могут быть установлены таким образом, чтобы их ось была направлена ​​либо с востока на запад, либо с севера на юг.В первой ориентации концентратор будет отслеживать Солнце с севера на юг и, таким образом, улучшит сбор солнечного излучения в полдень с меньшей фокусировкой света утром и в поздние часы [5]. Ориентация обогатительной фабрики север-юг приводит к значительным сезонным колебаниям, но с более высокой годовой производительностью по сравнению с обогатительной фабрикой, ориентированной на восток-запад, которая обеспечивает почти постоянный тепловой выход в течение всего года. Кроме того, двухосная система слежения за солнечными батареями улучшает оптические характеристики концентратора, но с меньшей рентабельностью и большей сложностью конструкции по сравнению с одноосной системой слежения.Это способствует интеграции одноосных систем слежения со среднетемпературными солнечными концентраторами для обеспечения рентабельной работы системы с приемлемыми тепловыми и оптическими характеристиками.

Рис. 13.

Кривая оптической эффективности концентратора параболического желоба при различных соотношениях ГХ [53].

Рис. 13.

Кривая оптической эффективности концентратора параболического желоба при различных соотношениях ГХ [53].

Основываясь на анализе и сравнении, проведенных в этом обзоре для различных типов солнечных концентраторов, практический концентратор для среднетемпературных солнечных приложений должен иметь хорошие тепловые и оптические характеристики с приемлемой отражательной способностью зеркал и эффективной поглощающей способностью линии приемника.Конструкция поглощающей приемной линии является жизненно важным моментом в улучшении общих характеристик концентратора с целью уменьшения конвективных потерь, а также эмиссии длинноволнового излучения. Таким образом, ни один концентратор не может считаться наиболее подходящей технологией, а выбор и конструкция оптимального концентратора зависит в основном от характера и конкретных характеристик каждого приложения.

6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой статье представлены последние разработки в области среднетемпературных солнечных концентраторов за последние 6 лет.Приведен обзор наиболее успешных применений солнечного тепла. Кроме того, проверяются CPC, PTC и LFR. Дан обзор последних исследований и работ, касающихся концентраторов средней температуры, а также последних достижений в системах слежения за солнцем. Представлено всестороннее и критическое сравнение и оценка различных концентраторов средней температуры. Были рассмотрены и исследованы различные факторы, в том числе оптические и тепловые свойства, конструкция и материалы зеркал и приемника, надежность и гибкость конструкции, а также экономическая целесообразность системы.Это исследование служит вводным этапом для предоставления общего обзора среднетемпературных солнечных концентраторов с целью изучения, оценки и сравнения различных технологий, компонентов и конфигураций системы. На следующем этапе работы будет разработана надежная имитационная модель для солнечной концентрирующей системы с учетом различных энергетических балансов и всех взаимодействий между системой и окружающей средой. Используя эту модель, будет выполнено точное динамическое моделирование для прогнозирования и оптимизации работы солнечного концентратора в реальных климатических и эксплуатационных условиях.На основе результатов моделирования и процесса оптимизации будет определена оптимальная технология концентрирования солнечной энергии, которая послужит основой для проектирования и определения размеров полной системы концентрирования солнечной энергии с учетом конструкции поглощающего приемника, отражающих зеркал, блок отбора жидкости и хранения тепла. Эта спроектированная система концентрирования солнечной энергии будет интегрирована с установкой низкотемпературного органического цикла Ренкина (ORC), чтобы обеспечить систему микро-ТЭЦ на основе солнечной энергии ORC, обеспечивающую тепловые потребности и часть потребностей в электроэнергии для жилых помещений.

ССЫЛКИ

1

Всемирный банк по устойчивому развитию

2,,, et al.

Конструкция солнечного концентратора, сочетающего параболоидальные и гиперболические зеркала с использованием метода трассировки лучей

,

Opt Commun

,

2009

, vol.

282

(стр.

360

6

) 4

Международное энергетическое агентство (IEA)

,

World Energy Outlook 2007

,

2007

IEA / OECD

5.

Солнечные тепловые коллекторы и приложения

,

Prog Energ Comb Sci

,

2004

, т.

30

(стр.

231

95

) 6

Коллективные солнечные тепловые системы

7,,.

Обзор солнечных тепловых технологий

,

Renew Sust Energy Rev

,

2010

, vol.

14

(стр.

312

22

) 8.

Масштабирование концентрирующих солнечных тепловых технологий в Китае

,

Renew Sust Energy Ред.

,

2010

, vol.

13

(стр.

2051

60

) 9

Солнечное тепло для больших зданий

SOLARGE

10

Солнечное промышленное технологическое тепло — WP3, Европейская федерация солнечной тепловой промышленности, задача 3.5

,

2006

11

Среднетемпературные коллекторы

,

2005

Международное энергетическое агентство

12

Обзор технологий CSP

,

2011

13.,

Введение в оптику без визуализации

,

2008

Taylor and Francis Group LLC

(стр.

12

324

) 14,,, et al.

Сравнение оптики не отслеживающих и новых типов следящих солнечных тепловых коллекторов для технологических процессов нагрева до 300 ° C

,

Sol Energy

,

2004

, vol.

76

(стр.

207

15

) 15,.

Теоретическая оценка тепловых характеристик CPC с плоским односторонним поглотителем

,

Int Commun Heat Mass

,

2006

, vol.

33

(стр.

709

18

) 16« и др.

Разработка нового плоского стационарного вакуумированного CPC-коллектора для технологического тепла

,

Sol Energy

,

2010

, vol.

84

(стр.

1166

74

) 17,,.

Оценка тепловых характеристик солнечного коллектора CPC

,

Int Commun Heat Mass

,

2008

, vol.

35

(стр.

446

57

) 18,,, et al.

Солнечные коллекторы с параболическим желобом и их применение

,

Renew Sust Energy Ред.

,

2010

, vol.

14

(стр.

1695

721

) 19.

Среднетемпературные солнечные концентраторы (коллекторы с параболическими желобами)

,

Системы преобразования солнечной энергии и фотоэнергетики

, vol.

Том. 1

20« и др.

Аналитические решения геометрических и оптических свойств стационарных составных параболических концентраторов с полностью освещенным инвертированным V-приемником

,

Sol Energy

,

2008

, vol.

82

(стр.

132

43

) 21,.

Теория и эксперимент двухмерного конического концентратора для солнечного света

,

Sol Energy

,

2008

, vol.

82

(стр.

111

7

) 22,,, et al.

Новый солнечный концентратор с желобом и анализ его производительности

,

Sol Energy

,

2011

, vol.

85

(стр.

198

207

) 23« и др.

Параболическая солнечная плита с автоматической двухосной системой слежения за солнцем

,

Appl Energy

,

2010

, vol.

87

(стр.

463

70

) 24.

Проектирование и изготовление двухосной системы слежения за солнцем для повышения эффективности параболического желоба коллектора (PTC)

,

Renew Energy

,

2006

, vol.

31

(стр.

2411

21

) 25

IST (Industrial Solar Technology Corporation)

26,. ,

Коллекторы технологического тепла. Состояние дел в рамках Задачи 33 / IV.IEA SHC-Task 33 и SolarPACES-Task IV

,

2008

AEE INTEC

27,,.

Высокоэффективное использование солнечной энергии с помощью недавно разработанных параболических желобных коллекторов (SOLITEM PTC) для охлаждения и производства пара в отеле на средиземноморском побережье Турции

,

Int J Energy Tech Policy

,

2005

, vol.

3

(стр.

137

46

) 28,.

Новый параболический желобный коллектор для систем солнечного охлаждения на крыше

Труды 1-й Международной конференции по солнечному отоплению, охлаждению и зданиям

7–10 октября 2008 г.

Португалия

29,,, et al.

Разработка небольшого модульного коллектора с параболическим желобом

Труды 13-го Международного симпозиума по концентрированной солнечной энергии и технологии химической энергии

20–23 июня 2006 г.

Испания

30

SHAP (Солнечное тепло и электроэнергия)

32,,.

Улучшение тепловых характеристик поглотителя линейного солнечного концентрирующего коллектора Френеля

Труды 15-й Международной конференции по новым горизонтам машиностроения

18–20 марта 2008 г.

Индия

(стр.

252

5

) 33,,.

Характеристики линейного концентрирующего солнечного устройства Френеля

,

Renew Energy

,

1999

, vol.

18

(стр.

409

16

) 34« и др.

Применение концентрированной солнечной энергии с использованием линз Френеля: обзор

,

Renew Sust Energy Rev

,

2011

, vol.

15

(стр.

2588

606

) 35« и др.

Линейный концентрирующий коллектор Френеля для технологического тепла

Труды 13-го Международного симпозиума по концентрированной солнечной энергии и технологии химической энергии

20–23 июня 2006 г.

Испания

36,,, et al.

Характеристики концентрации солнечного излучения в линейных отражателях Френеля

,

Energy Convers Manage

,

2012

, vol.

54

(стр.

133

144

) 37,,, et al.

Экспериментальное исследование и анализ концентрирующего солнечного коллектора с использованием линейной линзы Френеля

,

Energ Convers Manage

,

2010

, vol.

51

(стр.

48

55

) 38,,.

Радиационные характеристики тарельчатых солнечных концентраторов / резонаторных приемников

,

Sol Energy

,

2008

, vol.

82

(стр.

13

21

) 39,,.

Тепловые характеристики линейного солнечного концентратора с отражением Френеля с поглотителями с трапециевидной полостью

,

Appl Energy

,

2010

, vol.

87

(стр.

541

50

) 40« и др.

Термический анализ приемника полости солнечного коллектора тепла

,

Дж Eng Thermophys

,

2008

, vol.

29

(стр.

1453

7

) 41,.

Численное моделирование приемника трапециевидной полости для линейного концентратора солнечного коллектора Френеля

,

Renew Energy

,

2011

, vol.

36

(стр.

90

6

) 42

Приложение для отслеживания солнечной активности

,

2011

43. Обзор коллектора параболического желоба

,

Семинар по параболическому желобу в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии , , и другие.

Обзор принципа и методов отслеживания солнца для максимального увеличения производительности солнечных систем

,

Renew Sust Energy Rev

,

2009

, vol.

13

(стр.

1800

18

) 45,.

Общая формула для системы слежения за солнцем на оси и ее применение для повышения точности слежения за солнечным коллектором

,

Sol Energy

,

2009

, vol.

83

(стр.

298

305

) 46« и др.

Системы слежения за солнцем: обзор

,

Сенсоры

,

2009

, т.

9

(стр.

3875

90

) 47.

Дискретное двухпозиционное слежение за солнечными коллекторами

,

Renew Energy

,

2008

, vol.

33

(стр.

400

5

) 48,,.

Солнечные трекерные технологии: тенденции рынка и полевые применения

,

Adv Mat Res

,

2007

, vol.

18–19

(стр.

339

44

) 49

Tracstar

Стоит ли устанавливать солнечный трекер?

50,,.

Сравнение трех различных коллекторов для технологического тепла

,

P Soc Photo-Opt Ins, Proc SPIE

, vol.

2255

1994

(стр.

107

18

) 51« и др.

Сравнение линейных коллекторных электростанций Френеля и параболических желобов

,

Sol Energy

,

2012

, т.

86

(стр.

1

12

) 52

AREVA

Компактный линейный отражатель Френеля (CLFR) с технологией

53,,.

Моделирование производительности солнечного коллектора с параболическим желобом

,

Sol Energy

,

2012

, vol.

86

(стр.

746

55

) 54,.

Экономические возможности, возникающие в результате глобального развертывания технологий концентрированной солнечной энергии (CSP) — пример немецких поставщиков технологий

,

Energ Policy

,

2010

, vol.

38

(стр.

4467

78

) 55

Дорожная карта технологий — концентрация солнечной энергии

,

2010

Международное энергетическое агентство

56

Обзор технологий и выбор конфигураций CSP и опреснения, адаптированных для применения в южных и регион восточного Средиземноморья

,

2009

57« et al.

Оптимальный подбор паровых турбин для концентрированных солнечных электростанций

,

Int J Energ Environ

,

2012

, vol.

3

(стр.

9

18

)

© Автор, 2012. Опубликовано Oxford University Press.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/), которая разрешает некоммерческое повторное использование, распространение , а также воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинала.По вопросам коммерческого повторного использования обращайтесь по адресу [email protected]

.

Основы солнечной энергии | Понимание солнечной энергии

Доступны два типа технологий солнечных коллекторов:

  1. Солнечная тепловая энергия (STE) применений включает солнечное отопление бассейна и солнечное нагревание горячей воды . Системы солнечной тепловой энергии обычно имеют одно применение (например, обогрев бассейна),
  2. Photovoltaic Solar (PV) преобразует солнечный свет в электричество для любого дома или коммерческого здания .

Солнечная тепловая энергия (STE)

Солнечная тепловая энергия — наиболее широко используемый и самый старый тип солнечной системы. Его типичное применение — солнечное отопление бассейнов и системы водяного отопления.

Как работает солнечная тепловая энергия?

Солнечные системы тепловой энергии преобразуют солнце в тепло (тепловое). Он делает это, позволяя солнцу нагревать солнечный коллектор или панель, которая, в свою очередь, нагревает воду или жидкость и либо перекачивается, либо перемещается за счет конвекции, как в случае некоторых солнечных нагревателей для бассейнов, а затем обеспечивает циркуляцию воды или жидкости через систему.

Для чего используется солнечная тепловая энергия? Обычно STE используется для:
  • Отопление коммерческих и жилых бассейнов
  • ГВС
  • Крупномасштабное производство электроэнергии. Новое солнечное поле, устанавливаемое OUC, является примером солнечной тепловой энергии.

Низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные солнечные коллекторы

Для солнечного обогрева бассейна обычно используется так называемый низкотемпературный коллектор, а для нагрева воды от солнечной энергии обычно используется коллектор средней температуры.Высокотемпературные коллекторы чаще всего используются для производства электроэнергии в крупных масштабах, обычно в коммунальном хозяйстве. Они работают, концентрируя солнечный свет с помощью зеркал или линз, которые нагревают жидкость. Этот процесс известен как концентрированная солнечная энергия (CSP). Затем жидкость преобразуется в пар или газ, используемый для питания турбины, которая затем вырабатывает электричество.

Типы тепловых солнечных коллекторов или солнечных панелей В тепловом сборнике используются три различных типа солнечных панелей.
  1. Плоский коллектор — Также известные как солнечные панели для горячего водоснабжения.Это старейшая солнечная технология, которая до сих пор широко используется. Он используется для солнечных систем горячего водоснабжения, обогрева бассейнов и производства электроэнергии в крупных коммунальных сетях. Панели с плоскими пластинами очень хорошо подходят для климата Флориды и являются экономически выгодными. Они состоят из
    • Темная плоская пластина-поглотитель для сбора солнечного тепла и прозрачная крышка, которая пропускает тепло, но не позволяет энергии уходить
    • Жидкий теплоноситель — обычно вода, антифриз или воздух
    • Панельная изоляция — Коллекторы с изоляцией известны как Плоские глазурованные коллекторы .Те, у кого нет изоляции, известны как неглазурованные солнечные коллекторы.
  2. Плоский неглазурованный коллектор — Этот тип солнечных панелей используется почти исключительно для обогрева плавательных бассейнов и некоторых активных систем солнечного нагрева воды. Поскольку нет необходимости в теплоизоляции или остеклении, нет необходимости в панельном ограждении. Обычно это наименее дорогие панели, но они обладают некоторыми впечатляющими преимуществами, включая высокую абсорбцию поверхности и оптимальное расстояние между трубками.
  3. Вакуумные трубчатые коллекторы — Обычно этот вариант больше подходит для более холодного климата, поскольку они лучше работают там, где погода более прохладная в течение продолжительных периодов времени.Хотя это более современная солнечная технология, более широко продаются плоские коллекторы. Вакуумные трубчатые коллекторы дороже, но являются отличным вариантом для активных солнечных систем горячего водоснабжения.
    • Коллекторы с вакуумной трубкой состоят из нескольких пластин поглотителя, соединенных с покрытием поглотителя, а затем каждая пластина покрыта стеклянной трубкой (обычно сделанной из боросиликатного стекла). Вакуум, создаваемый между пластинами абсорбера и стеклянной трубкой, значительно снижает потери тепла по сравнению с их коллекторами с плоскими пластинами и может создавать более высокие температуры жидкости.
  4. Воздух- Используется в системах предварительного нагрева и для нагрева воздуха непосредственно для обогрева помещений.

Фотоэлектрическая (PV) Солнечная

Фотоэлектрическая система фактически вырабатывает электроэнергию для любого электрического использования, от питания приборов до кондиционирования воздуха. Фотоэлектрическая солнечная система позволит дому или зданию производить электроэнергию для собственного потребления и в некоторых случаях продавать ее обратно коммунальной компании (см. Фотоэлектрические системы, связанные с сетью).Проще говоря, фотоэлектрические системы преобразуют солнечную энергию в электричество.

Наличие фотоэлектрической солнечной системы в доме или здании значительно снизит стоимость электроэнергии. Это наиболее амбициозное энергетическое решение для отдельного здания или дома.

жидкостей | Бесплатный полнотекстовый | Определение влияния условий входящего потока на тепловую эффективность плоского пластинчатого солнечного коллектора

Проверенная модель CFD была использована для определения влияния скорости потока на производительность FPC при высоком и низком уровне входной температуры.Температура на входе исследовалась при высоком и низком расходе. Влияние расхода на тепловой КПД было исследовано в соответствии с минимальной температурой подаваемого абсорбционного охлаждения.

5.1. Влияние расхода на производительность FPC при высоком и низком уровне температуры на входе
На рисунке 5 показано влияние расхода на входе на температуру воды на выходе при температуре на входе низкого уровня. Как температура воды на выходе, так и градиент уменьшаются с увеличением расхода из-за большой разницы температур между пластиной абсорбера и основной температурой внутри области текучей среды, что приводит к более высокой теплопередаче (T p — T f ).Температура воды на выходе значительно снизилась на 38 К при изменении расхода с 5 × 10 –4 до 15 × 10 –4 кг / с. Влияние расхода на T o снизилось до 10 K за счет увеличения расхода с 15 × 10 −4 до 25 × 10 −4 кг / с и 4,5 K с 25 × 10 −4 до 35 × 10. −4 кг / с соответственно. Влияние расхода на T o затем уменьшилось до 2,5 K за счет увеличения расхода с 35 × 10 −4 до 45 × 10 −4 кг / с и менее 1.75 К при таком же изменении расхода ниже 45 × 10 −4 кг / с. На рисунке 6 показано влияние расхода на входе на температуру воды на выходе при высокой температуре на входе. Как и при низком уровне температуры на входе, температура воды на выходе и градиент уменьшались с увеличением скорости потока внутри стояка. Температура воды на выходе значительно снизилась на 27 K при изменении расхода с 5 × 10 −4 до 15 × 10 −4 кг / с, но меньше, чем снижение при температуре на входе низкого уровня.Влияние расхода на T o уменьшилось до 7 K за счет увеличения расхода с 15 × 10 −4 до 25 × 10 −4 кг / с и 3 K с 25 × 10 −4 до 35 × 10. −4 кг / с соответственно. Влияние расхода на T o затем уменьшилось до 1,3 K за счет увеличения расхода с 35 × 10 −4 до 45 × 10 −4 кг / с и менее 1,2 K при таком же изменении расхода ниже 45 × 10 −4 кг / с.

Градиент температуры воды на выходе уменьшается с увеличением расхода из-за уменьшения времени контакта между жидкостью и трубой, что приводит к снижению теплопередачи.

На рисунке 7 показано влияние расхода на изменение температуры воды на выходе для диапазона значений расхода как для высокого, так и для низкого уровня температуры на входе Максимальное увеличение (T o — T в ) на 62 K происходило при минимальном расходе внутри стояка (m˙ = 5 × 10 −4 кг / с) при температуре на входе низкого уровня, в то время как минимум 6 K наблюдался при максимальном расходе (m˙ = 60 × 10 — 4 кг / с), как показано на Рисунке 8. При температуре на входе низкого уровня как увеличение температуры на входе, так и градиент уменьшались с увеличением расхода.Максимальное увеличение (T o — T в ) на 43 K произошло при минимальном расходе внутри стояка (m˙ = 5 × 10 −4 кг / с) при температуре на входе низкого уровня, в то время как минимальная 4,1 K произошло при максимальном расходе (m˙ = 60 × 10 −4 кг / с), как показано на рисунке 9. Для всех случаев расхода (T o — T в ) на низком уровне температура на входе была выше, чем температура на входе. Рисунок 10 иллюстрирует влияние скорости потока на входе на тепловой КПД (ηth) при температуре на входе низкого уровня.ηth увеличивалось с увеличением массового расхода из-за уменьшения разницы температур между водой внутри трубы и температурой окружающей среды (T f — T amb ), что уменьшало потери. Максимальное значение ηth 93% произошло при максимальном расходе (m˙ = 60 × 10 –4 кг / с), в то время как минимум 80% произошло при минимальном расходе (5 × 10 –4 кг / с). ηth значительно увеличилось на 8,7% при изменении расхода с 5 × 10 –4 кг / с до 15 × 10 –4 кг / с.Влияние расхода на ηth уменьшилось до 2% за счет увеличения расхода с 15 × 10 –4 кг / с до 25 × 10 –4 кг / с и на 1% с 25 × 10 –4 кг / с до 35 × 10 −4 кг / с соответственно. Влияние расхода на ηth затем снизилось до 0,6% за счет увеличения расхода с 35 × 10 −4 кг / с до 45 × 10 −4 кг / с и менее 0,4% при таком же изменении расхода превысило 45 × 10 −4 кг / с. На рисунке 11 показано влияние расхода на входе на тепловой КПД (ηth) при температуре на входе высокого уровня.ηth увеличивается с увеличением массового расхода, но ниже, чем при температуре на входе низкого уровня из-за увеличения разницы температур между водой внутри трубы и температурой окружающей среды, что увеличивает потери. Максимальное значение ηth в 64,5% произошло при максимальном расходе (m˙ = 60 × 10 –4 кг / с), в то время как минимум в 55,5% произошло при минимальном расходе (5 × 10 –4 кг / с). ηth значительно увеличился на 6% при изменении расхода с 5 × 10 –4 кг / с до 15 × 10 –4 кг / с.Влияние расхода на ηth снизилось до 1,41% за счет увеличения расхода с 15 × 10 –4 кг / с до 25 × 10 –4 кг / с и 0,7% с 25 × 10 –4 кг / с до 35 × 10 −4 кг / с соответственно. Влияние расхода на ηth затем снизилось до 0,4% за счет увеличения расхода с 35 × 10 −4 кг / с до 45 × 10 −4 кг / с и менее 0,3% при таком же изменении расхода превысило 45 × 10 −4 кг / с.
5.2. Влияние температуры на входе на производительность FPC при высоком и низком уровне расхода:
Произошло увеличение T o из-за увеличения температуры воды на входе как при высоком, так и при низком уровне расхода.Максимальная температура на выходе 394 K для FPC была достигнута при низком уровне расхода и максимальной температуре на входе (370 K), как показано на рисунке 12. Рисунок 13 показывает, что рост температуры на входе (T o — T в ) был сильно зависит от температуры на входе при расходе на низком уровне, в то время как при высоком уровне эффекта не было. Максимальное повышение температуры на 33 K произошло при низком расходе и минимальной температуре на входе из-за большой разницы температур между пластиной абсорбера и водой (T p — T f ), что приводит к более высокой теплопередаче.При высоком уровне расхода вероятность повышения температуры воды внутри трубы также высока из-за разницы температур между абсорбером и водой, но это не повлияло на повышение температуры из-за высокого расхода. повышение температуры воды на входе из-за увеличения разницы температур воды внутри трубы и температуры окружающей среды (T f — T amb ), что привело к увеличению потерь. Максимальный ηth 94% для FPC был достигнут при высоком уровне расхода и минимальной температуре на входе, как показано на Рисунке 14.Тепловая эффективность при расходе на высоком уровне выше, чем при расходе на низком уровне, во всех случаях. Напротив, повышение температуры было выше при низком уровне расхода во всех случаях. Однако для любого применения необходимо оптимизировать температуру на входе и расход, чтобы достичь заданного повышения температуры (T o — T в ) с высоким тепловым КПД или заданной температурой на выходе (T o ).
5.3. Использование температуры воды на выходе FPC для солнечной абсорбционной системы охлаждения

Солнечные абсорбционные системы охлаждения обычно состоят из солнечных коллекторов и систем хранения для сбора и хранения тепловой энергии, абсорбционного охладителя, который требует тепловой энергии и обеспечивает охлажденную воду, и градирни для охлаждения конденсатор абсорбционного чиллера.Тепловая мощность, которая может быть достигнута с помощью FPC, является доминирующей движущей силой в солнечных абсорбционных охлаждающих системах. Тепловая энергия передается от FPC в резервуар с помощью гидравлического насоса. Резервная система отопления обычно подключается к резервуару для хранения, чтобы поддерживать требуемую температуру подачи для абсорбционного чиллера. Минимальная рабочая температура (T g ) для абсорбционных чиллеров малой мощности, представленных на рынке (10 кВт, Sonnenklima), составляет 75 ° C (348 K) с температурой возврата (T r ) от чиллера 65 ° C (338 К).

Следовательно, чтобы улучшить SCOP в солнечной абсорбционной системе, необходимо оптимизировать температуру воды на входе и расход [40]. Диапазон температуры воды на входе был исследован при высокой температуре окружающей среды (318 K), чтобы достичь заданной температуры для чиллера с высоким тепловым КПД FPC. Как показано на рисунке 15, минимальная требуемая температура подачи (348 K) была достижима для пяти различных входных температур и расходов. А именно; T в = 313 K и m˙ = 0,001 кг / с, T в = 323 K и 0.0013 кг / с, T в = 333 K и m˙ = 0,0022 кг / с, T в = 338 K и 0,0034 кг / с, T в = 343 K и m˙ = 0,005 кг / с. Оптимальная температура на входе и расход (для соответствия минимальной температуре подачи для абсорбционного охладителя), основанные на самом высоком тепловом КПД для FPC, составляют T при = 313 K и 0,001 кг / с для ηth = 88%, как показано на рисунке 16. • Исходя из проектных критериев выбранного абсорбционного чиллера и потерь в окружающую среду из системы трубопроводов и из резервуара для хранения, T amb in r .Это ограничение приводит к минимизации вариантов: T в = 323 K, 0,0013 кг / с и ηth = 86% или T в = 333 K, 0,0022 кг / и ηth = 84%.

Солнечные коллекторы

Сбор и преобразование солнечной энергии

Линейный приемник с параболическим желобом

Использование энергии солнца имеет решающее значение для удовлетворения мировых потребностей в энергии. Существует множество различных технологий преобразования солнечной энергии в электрическую или тепловую. Некоторые популярные технологии включают солнечные водонагреватели, концентрированные фотоэлектрические системы и системы на основе тепловых двигателей.Все эти солнечные системы требуют надлежащего управления температурным режимом для поддержания целевых показателей производительности и затрат. Advanced Cooling Technologies, Inc. (ACT) имеет технологии, разработанные для помощи в управлении температурой во всех этих солнечных приложениях.

Примеры продуктов и технологий управления тепловым режимом ACT для систем сбора и преобразования солнечной энергии включают:

  • Концентрированная фотовольтаика (CPV)
  • Солнечные водонагреватели
  • Тепловые двигатели Стирлинга на солнечных батареях

В приложениях CPV солнечная энергия концентрируется на небольшой площади, так что поток излучения на фотоэлектрический элемент увеличивается.Это позволяет инженерам CPV заменять большие кремниевые солнечные элементы, используемые в традиционных солнечных батареях, на более мелкие детали из высококачественного материала, сохраняя при этом аналогичную стоимость. Однако повышенная производительность может быть сохранена только в том случае, если температура солнечного элемента может поддерживаться близкой к температуре окружающей среды. Это сложно, поскольку концентрация солнечного излучения также приводит к концентрации отходящего тепла, которое необходимо отводить. ACT имеет опыт проектирования радиаторов с тепловыми трубками для распределения тепла от солнечного элемента и отвода тепла через оребренные радиаторы.Преимущество этого решения заключается в отсутствии движущихся частей, что обеспечивает высокую надежность, типичную для традиционных солнечных панелей.

Приемник прямого освещения по Стирлингу для тарелок

Преобразование солнечной энергии напрямую в тепло — очень эффективный способ обогрева помещений и водоснабжения в жилых домах и коммерческих зданиях, а также жидкостей в промышленных процессах. Солнечные желоба с тепловыми трубками — популярное решение для сбора концентрированного тепла и передачи его в рециркуляционный поток с насосом.У бытовых солнечных водонагревательных трубок максимальная рабочая температура ограничена, как правило, в диапазоне от 80 ° C до 120 ° C. Этот предел не позволяет солнечной системе отопления достигать более высокого КПД. ACT имеет линейку тепловых трубок промежуточной температуры, которые могут расширить рабочую температуру солнечной системы отопления до 250 ° C для повышения эффективности нагрева.

Тепловые двигатели, такие как двигатели Стирлинга, термоакустические генераторы и термоэлектронные преобразователи, часто используются для выработки электроэнергии из солнечной энергии.В этих процессах солнечная энергия концентрируется на солнечном приемнике, который поглощает солнечную энергию в виде тепла. Чтобы тепловой двигатель работал, температура приемника должна быть выше 400 ° C. Обычно температура выше 800 ° C нацелена на достижение желаемой эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.