Плоскі сонячні колектори, переваги та недоліки. Нерівномірна циркуляція

Зміст

I. Вступ

II. Відбір тепла

III. Проблема герметичності

IV. Закипання гліколю

V. Переваги та недоліки

Сонячні колектори переваги та недоліки фото

I. Вступ

Найстарішим історичним приладом серед сонячних колекторів, що використовується і сьогодні, є плоский колектор. Переважна більшість панелей мають досить просту конструкцію, що складається з наступних основних елементів:

скло
поглинач
мідні або алюмінієві трубки
ізоляція
алюмінієва рама

II. Відбір тепла

У всіх колекторах цієї категорії застосовується принцип відбору тепла, який базується на прямому потоці. Різницю між типами колекторів представлено на фотографії 2, отриманої з тепловізійної камери для потоку панелі типу арфи (ми бачимо, що паралельно підключені три плоских колектора). Завдяки правильному протоку рідини в з'єднаних трубках, два крайні плоских колектора показують більш швидкий потік теплоносія, ніж у колекторі по центру. У установках з плоскими колекторами цей тип конструкції призводить до зменшення тепловіддачі в центральних колекторах , що знижує ефективність всієї установки. Різниця в потоці між крайніми колекторами і центральними є, як правило, значущою і часто є десятикратною різницею на великих установках.

Тут варто згадати кілька речень про корисність і порівняльний ефект використання показників, представлених у сертифікатах якості, таких як Solar Keymark. Сертифікат визначає, серед іншого, показники ефективності одного сонячного колектора на основі стандартів EN 12975-1 та EN 12975-2. Просте перетворення виходу одного сонячного колектора на вихід великої установки (вихід колектора плоский = вихід одного колектора, помножене на кількість колекторів), безумовно, це не відповідає дійсності через приклад нерівномірного потоку в сонячних колекторах цього типу.

Цю структуру намагалися поліпшити шляхом введення так званої подвійної арфи. Замість одностороннього потоку в колекторі було введено протитоку. З одного боку, це рішення впливає на більш рівномірний потік, але, з іншого боку, це призводить до труднощів в установках вентиляції, зокрема, великих установках, і до більш високого опору потоку, що генерує вимогу для великих насосів і збільшує вартість використання для інвестора. Однак це не змінює факт нерівномірності потоку в окремих колекторах даної батареї.

Іншим рішенням, заснованим на технології прямого потоку, є меандровий плоский пластинчастий колектор, тобто з теплоприймальною трубкою, під поверхнею абсорбера. Це конструкція, яка запобігає нерівномірному потоку, так що тепло від сонячного колектора рівномірно розподіляється по всій поверхні абсорбера. Як і у випадку з колекторами з так званими "Двійчаста арфа" характеризується підвищеною стійкістю до потоку і підвищеною складністю в вентиляції установки. Подібно до колектора з подвійною арфою, це не виключає явища нерівномірного течії в окремих колекторах групи.

III. Проблема герметичності

Загальним недоліком плоских колекторів є проблема герметичності колектора, додатково створенеою вентиляційними отворами, які скидають конденсат водяної пари, що міститься в повітрі. Плоский колектор піддається 24-годинним циклам аспірації повітря і водяної пари та їх поділу. Це пов'язано з підвищенням температури колектора протягом дня і зниженням температури вночі.

Збільшення обсягу повітря і водяної пари при підвищенні температури зумовлює негерметичність конструкції плоского пластинчастого колектора (якщо колектор щільно закритий, якщо температура підвищується, то колектор буде розірвано). Підвищення температури також генерує випаровування водяної пари в колекторі, який накопичується в фазі конденсації вночі. Конденсат осідає на поглинаючий теплообмінник і на колекторну трубу. Протягом дня, коли температура зростає, конденсація випаровується і спочатку осідає на склі колектора. Це поширене і часте явище. Засмічення скла і абсорбера значно знижує ефективність плоского колектора.

Вся ситуація ускладнюється тим, що в плоскі сонячні колектори попадає органіка, (наприклад, пилок, пил, компоненти диму тощо), яка надходять у внутрішній простір плоского колектора, та осідає на поглинаючу пластину та колекторну трубку. Це призводить до створення плівки, що блокує сонячну активність, яка в обмеженій кількості або в крайніх випадках взагалі не проникає в поглинач.

Виробники плоских колекторів в більшості випадків намагаються хоча б частково приховати це явище, шляхом масового використання призматичного скла, і користувач, не знайомий з цією проблемою, не може пояснити поступове зниження ефективності установки. Примусове проходження циркуляції за рахунок використання вентиляційних отворів в рамі плоского колектора призводить до утворення додаткових теплових втрат, охолодження колектора і збільшення проникнення мікрозабруднювачів з атмосфери. Недолік цієї конструкції є природнім і його неможливо усунути.

Всі плоскі пластинчасті колектори мають абсорбер, що працює в зоні підвищених температур водяної пари і повітря. Чим вище температура колектора, тим більша ймовірність пошкодження абсорбера.

Вплив атмосферних умов і вплив цих факторів на плоский колекторний поглинач представляється ще однією фундаментальною проблемою такої конструкції. Парадоксально, але підвищення ефективності параметрів плоского колектора призводить до його більш високих температур, що підвищує ймовірність пошкодження поглиначами при експлуатації через хімічні реакції з сумішшю повітря, пари та інших утворень (наприклад, пил, пилок, аерозолі, бактерії, грибкові спори, кліщі, комахи тощо), які всмоктуються у внутрішній об'єм колектора протягом циклу день-ніч. На малюнку 3 показаний приклад типової установки, де відбувалося пошкодження поглинача, що виникає внаслідок вищезазначених факторів.

IV. Закипання гліколю

Прямий потік теплоносія з плоских колекторів створює ще одну проблему: запікання гліколю в надзвичайних ситуаціях (перегрів). Плоскі колектори демонструють температуру стагнації до 200 ° С, наприклад Центр сонячної енергії в Данії та Данський технологічний інститут показали, що при температурах не вище 180 ° С гліколь і добавки, що містяться в ньому, постійно запікаються у капілярних трубах (діаметр 3-10 мм) [5]. Що важливо, у звіті чітко зазначено формування цього типу блокувань у газовій фазі (водяна пара дифузно змішується з парами гліколю та антикорозійними добавками) за участю каталізатора, такого як мідь або алюміній. Показано, що встановлення колекторів "догори дном" на додаток до маркетингового трюку нічого не змінює внаслідок виникнення газової фази кристалізації. Для простоти ситуацію можна порівняти з венами і «поганим» холестерином в організмі людини, що накопичується в них. Проблема зростає з часом експлуатації, а фактор, що прискорює блокування колекторної труби, - це температура (чим вона вище, тим швидше відбувається блокування).

Закипання гліколю в сонячному колекторі фото

V. Переваги та недоліки

При пошуку переваг плоскої конструкції колекторів слід зазначити їхню нижчу ціну в порівнянні з більш технічно просунутими сонячними колекторами. Однак у зв'язку з тим, що сонячний колектор є лише частиною установки, його частка в загальній вартості сонячної установки є відносно невеликою і досягає приблизно 30-40% від вартості установки, з установкою "під ключ". Отже, час повернення з установки з плоскими пластинчастими колекторами довше, ніж, наприклад, від тієї ж установки з вакуумними колекторами. Теоретична перевага нижчих початкових інвестиційних витрат перетворюється на інший недолік довшого часу повернення всієї інвестиції Нижче наведені приклади переваг і недоліків плоских колекторів [1-5]:

Переваги

проста і нехитра конструкція
висока теоретична ефективність досягає близько 84%
зниження вартості порівняно з вакуумними колекторами

Недоліки

відсутність герметичності
втрати тепла для випаровування конденсату в ранковий старт колектора
пізніше, ніж у вакуумних колекторах, через необхідність подолання власних втрат
відсутність ізоляції на стороні панелі покриття - значні втрати тепла
прогресивне збільшення оптичного фільтра на внутрішній поверхні скла і поверхні абсорбера у вигляді шару, що залишився після випаровування пилового конденсату - значні втрати ефективності колектора при тривалій експлуатації
додаткові конвекційні втрати тепла, викликані використанням вентиляційних отворів в нижній і верхній частині корпусу
погіршення поглинаючих шарів внаслідок атмосферних умов: зміни температури, вологості і напружень матеріалу
відсутність стійкості колектора до вітрового впливу вже вище 4 м / с
відсутність здатності ефективно генерувати тепло в низьких сонячних умовах (нижче 300 Вт / м2) і в той же час температура навколишнього середовища нижче приблизно 8 o C (власні втрати перевищують потужність приймання тепла)
найнижча в групі фототермічних колекторів середня річна ефективність в умовах українського розташування та клімату
плоский поглинач - немає можливості "пасивно слідувати за сонцем"
високі аеродинамічні навантаження для колекторів, розташованих на плоских поверхнях