Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.4.3. Преимущества и недостатки, показатели эффективности вакуумных трубчатых солнечных коллекторов
Кпд трубчатых элементов солнечных коллекторов
Как и в предыдущем разделе по эффективности плоских коллекторов, мы рассматриваем значения мгновенного КПД. Вопрос сравнения полной эффективности применения солнечных коллекторов в течении суток и различных времен года, будет рассмотрен в следующей главе.
Методологически, расчет мгновенного КПД трубчатого вакуумного коллектора совпадает с расчетов КПД плоского. Также есть понятие оптического КПД, селективных покрытий, эффективности абсорбера, теплопередачи энергии теплоносителю. Наилучшие образцы вакуумных трубчатых коллекторов имеют оптический КПД, равный 080–0,85.
Но есть два серьезных отличия между плоскими и трубчатыми коллекторами в расчете КПД.
Первое, касается конструктивных особенностей монтажа коллекторов. Плоские коллекторы воспринимают только прямое солнечное излучение, поскольку имеют прозрачное покрытие только со стороны, направленной на Солнце. Вакуумные трубчатые коллекторы, могут быть расположены на склоне крыш и, в случае монтажа непосредственно на крышу, также воспринимают, в основном, прямое солнечное излучение. Но, если такие же коллекторы установлены на раме, а крыша плоская, то свет может попадать и на обратную сторону коллектора и вакуумные трубки воспринимают рассеянное и отраженное от других объектов солнечное излучение. В варианте коллектора с вакуумными трубками могут быть конструкции с отражателями – концентраторами, установленными в зазорах между труб и за ними. Доля рассеянного излучения в ясную погоду может составлять около 20 % от прямого излучения. А в облачную, прямого излучения вообще нет. Следовательно, если в расчете КПД вакуумного трубчатого коллектора брать его апертурную площадь, то можно столкнуться с ситуацией, когда КПД окажется более единицы. Это не нарушение законов сохранения энергии, это факт, обусловленный способностью вакуумных трубчатых коллекторов воспринимать энергию с большего пространства, чем апертурная площадь. Но если мы в расчет возьмем не апертурную площадь вакуумной трубки, а и зазора между ними, то все становится на свои места и значение КПД становится меньше единицы. Поэтому, в случаях, если указываются значения КПД больше единицы, понимайте, что при расчетах рассматривалась не полная площадь коллектора, а апертурная площадь. В сравнении эффективности разных типов коллекторов необходимо учитывать их общую габаритную площадь, тогда оно будет правильным.
Вторым отличительным моментом является то, что есть тепловые трубки вакуумных коллекторов с прямоточным течением теплоносителя и есть тепловые трубки с фазовым переходом жидкость-газ и обратно («Heat pipe»). В первом случае, нагрев теплоносителя происходит, как и в случае плоских коллекторов – прямым нагревом. Во втором случае, возникает многократная теплопередача энергии от одних узлов к другим, вызывающий потерю около 10 % энергии. Общий разброс мгновенного КПД трубчатых коллекторов может находиться в диапазоне 0,65–0,8 и очень сильно зависит от конструкции и типу тепловой трубы, абсорберов и других параметров.
С учетом вышесказанного, необходимо отметить, что значение мгновенного КПД солнечных коллекторов трудно точно определить расчетным путем и должно определяться экспериментам образом на заводе – изготовителе и обозначаться в паспортных данных.
Преимущества вакуумных солнечных коллекторов
Вакуум – прекрасный изолятор. Вся, преобразованная из солнечных лучей, тепловая энергия сконцентрирована в центральном канале вакуумной трубки. Теплопотери в окружающую среду практически отсутствуют. Свидетельством этого является то, что, если вы прикоснетесь в яркий солнечный день к поверхности вакуумной трубки, то почувствуете- она холодная. И обратно, если вокруг холодно, то вакуум является барьером для охлаждения трубок центрального канала.
Вывод – вакуумные трубки и весь солнечный коллектор на их основе можно эксплуатировать круглогодично.
Вакуумные трубки способны преобразовывать световую энергию рассеянного, отраженного освещения (пасмурная погода).
Обеспечивают практически полное поглощение тепловой энергии всего спектра (видимой и инфракрасной части).
Высокая надежность систем. Срок службы более 15 лет.
Низкая парусность.
Возможность выполнения сервисных и ремонтных работ без демонтажа всего коллектора.
Температура внутри центрального теплового канала может достигать 400 °С.
Высокая продолжительность работы в течение суток.
Ряд конструкций способны работать под любым углом падения солнечных лучей.
Если рассматривать равные апертурные площади плоского и трубчатого вакуумного солнечных коллекторов, то, в некоторые конструкции вакуумных трубок с цилиндрическим абсорбером с высокоселективным покрытием, имеют производительность значительно выше плоских. Это объясняется тем, что такие типы абсорберов вакуумных трубок способны воспринимать полное излучение, даже с задней стороны вакуумной труби.
Трубчатая форма меньше загрязняется пылью, органическим мусором. Обдувается ветром.
При вертикальном расположении на них меньше задерживается снег.
Недостатки вакуумных трубчатых коллекторов
Главным недостатком вакуумных солнечных коллекторов является то, что их апертурная площадь сильно отличается от общих габаритов коллектора. Трубки раздвинуты между собой на расстояние до 1,5 диаметра. То есть при диаметре трубок 57 мм расстояние между ними около 85 мм. Это делается для того, чтобы трубки не затеняли друг друга при угловом падении прямых солнечных лучей. Схема падения солнечных лучей показана на рис. 23. Из рисунка видно, что при падении лучей под прямым углом, имеется значительная доля энергии, проходящая мило трубок коллектора. Эта величина определяется исключительно расстоянием между трубками. В то же время, расстояние между трубками позволяет увеличить угол, при котором не происходит затенение соседних трубок. При увеличении расстояния такой угол увеличивается.
Рис. 23. Разные углы падения прямых солнечных лучей на трубки солнечного коллектора
В любом случае, апертурная площадь трубчатых коллекторов меньше чем у плоских. Правда, этот недостаток компенсируется тем, что трубчатые коллекторы способны вырабатывать тепловую энергию в большем угловом диапазоне. По данным [3] суммарная суточная тепловая энергия, при одинаковых условиях, вакуумным трубчатым коллектором с цилиндрическими абсорберами больше плоского солнечного коллектора на 14 %.
До последнего времени считалось, что трубчатые солнечные коллекторы дороже плоских. Но массовое производство трубчатых коллекторов снизило их себестоимость и, в настоящее время, себестоимость коллекторов одинаковая.
Недостатком трубчатых коллекторов также считается то, что на них налипает снег и иней, а плоские коллекторы обладают возможностью к самоочистке. Однако, это не совсем так. Плоские коллекторы обладают режимом таяния, если в них противотоком направить подогретый теплоноситель. Но, во-первых, для этого нужно потратить энергию, во-вторых, плоские солнечные коллекторы вообще не следует использовать зимой, следовательно и сравнивать их по этому критерию не надо. В третьих, на трубчатых коллекторах снег задерживается хуже, чем на плоских. Конечно, стоит вопрос об эффективности использования солнечных коллекторов в районах с продолжительной зимой и высоким снежным покровом, но это касается всех их типов, а трубчатые солнечные коллекторы, единственные из рассматриваемых, способные работать при рассеянном и отраженном свете.
Также, отдельно стоит вопрос о ремонтопригодности трубчатых солнечных коллекторов. Существует ли возможность замены одной вышедшей из строя вакуумной трубки не сливая воду со всего коллектора? В некоторых конструкциях такая возможность есть. А в других нет. Конструкций трубчатых коллекторов множество. Не возможно однозначно ответить на этот вопрос не зная конструкции. Но, даже в варианте необходимости слива теплоносителя из системы, можно сказать, что демонтаж можно проводить на объекте.
В заключение главы, приводим данные по долям, используемых в мире, различных типов солнечных тепловых коллекторов [4]. Представлены на рис. 24 в виде диаграммы.
Рис. 24. Доли различных солнечных тепловых коллекторов, используемых в мире[4]
Литература по разделу
1. ГОСТ Р 54856-2011: Теплоснабжение зданий. Методика расчета энергопотребности иэффективности системы теплогенерации с солнечными установками.
2. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М., Энергоатомиздат, 1991, 208 с.
3. 2017 Institute for Solar Technology Oberseestrasse 10 CH-8640 Rapperswil Tel. +41 55 222 48 21 info@spf.ch Impressum GTC.
4. Бутузов В.А. Обзор мирового рынка солнечных систем теплоснабжения // Журнал С.О.К., № 12/2013.