Как сделать солнечный коллектор: Делаем простой солнечный коллектор своими руками, пошаговая инструкция

Назначение

Солнечные коллекторы предназначены для улавливания энергии солнца. Принцип их действия достаточно прост. Он заключается в том, что поступающее излучение нагревает теплоноситель. Посмотрев на фото солнечных коллекторов можно увидеть, что все они имеют внешнее сходство. Они состоят из панелей с трубками, которые под действием солнца нагреваются.

Полученное тепло может использоваться для нагрева воды в хозяйственных нуждах или для отопления помещений. Нагретый теплоноситель поступает в накопительный бак. В нем может быть установлен дополнительный нагреватель, который повышает температуру теплоносителя до необходимого значения при недостаточной интенсивности солнечного излучения.

Нагрев может быть осуществлен с помощью электронагревателя или с использованием более совершенного теплового насоса. Кроме того, этот аппарат может передавать тепло в систему отопления, дополняя её с целью экономии.

Использование коллекторов позволяет или полностью отказаться от нагревательных приборов или существенно сократить их использование и дать дополнительную экономию электроэнергии или газа.

Принцип действия

В большинстве случаев такие солнечные коллекторы используются для нагрева воды в теплое время года. Они собираются из металлических трубок, которые нагреваются на солнце и передают его тепло воде. Такие приборы могут быть разной формы и размера, но по сути представляют собой систему из металлических труб, по которым движется теплоноситель, а сами трубки нагреваются солнцем. Нагретая вода поступает в накопитель.

Более сложными являются устройства, которые предназначены для использования в холодное время года. Их особенностью является способность улавливать и сохранять тепло при низких температурах окружающей среды. При этом внутренняя часть системы должна разогреваться достаточно сильно, чтобы была возможность отапливать помещение.

В таких приборах необходимо одновременно изолировать теплоноситель от окружающей среды для сохранения полученного тепла и оставлять его прозрачным для солнечных лучей. Поэтому приборы, предназначенные для зимнего периода, имеют более сложную конструкцию.

Трубки представляют собой стеклянные термосы из достаточно толстого стекла. Внешняя поверхность трубки прозрачна. Внутренняя стенка покрыта черной краской. Из пространства между двух стенок полностью откачан воздух. В вакууме солнечные лучи без препятствий достигают внутренней темной стенки. Энергия не может выйти наружу в виде тепловых лучей, так как вакуум обладает крайне низкой теплопроводностью.

Солнечные коллекторы для отопления дома существенно дороже обычных солнечных водонагревателей, используемых в летнее время на даче. Используются они в дополнение с действующей отопительной системой для того, чтобы снизить нагрузку на неё и дать дополнительную экономию денежных средств.

Недостатки

Основными недостатками этого оборудования является зависимость от погодных условий. В ночное время эти устройства естественно не работают. В это время можно только использовать накопленное за день тепло. Также работоспособность зависит от температуры окружающей среды и наличия яркого солнца. Чем выше температура и ярче солнце, тем лучше работает оборудование.

Для холодного времени года используются специальные инновационные устройства. Главным недостатком таких приборов является их крайне высокая стоимость и хрупкость. Кроме того, такие солнечные коллекторы нельзя сделать своими руками.

Выпускаемые модели обладают разной ремонтопригодностью. Большинство моделей легко ремонтируется с помощью простой замены вышедшей из строя стеклянной колбы.

Классические металлические солнечные коллекторы широко используются для нагрева воды в теплое время года в регионах с высокой температурой и большим числом солнечных дней в году. В этом случае их конструкция может быть максимально простой и обладать низкой ценой. Вакуумные нагреватели используются значительно реже.

Эффективность

В первую очередь следует разграничить два понятия: эффективность и окупаемость. Эффективность характеризует то, какая доля тепла превращается в тепло, которое можно с пользой использовать. Рассматриваемые приборы никогда не обладают абсолютной эффективностью, потому что часть тепла рассеивается в атмосферу.

В независимости от конструкции эффективность солнечных коллекторов снижается с усилением ветра и понижением температуры окружающей среды. Ветер и низкие температуры сильно увеличивают отвод тепла в атмосферу.

Для того чтобы снизить потерю тепла на оборудование устанавливают дополнительную прозрачную защиту от ветра, выполненную из стекла или пластика. Для компенсации возможных потерь требуется устанавливать оборудование с большей производительностью по теплу.

Окупаемость характеризует период времени, за который вернутся потраченные средства по сравнению с альтернативными способами. Например, нагревать воду для душа можно вместо электронагревателя с помощью коллектора. При этом нужно оценить годовые расходы на электроэнергию. Если поделить цену коллектора на годовую стоимость сэкономленной электроэнергии, то будет получен срок окупаемости.

Если его использовать в регионе с теплым климатом, то окупаемость наступит очень быстро. При использовании в регионе с умеренным климатом окупаемость будет более долгой, так как для того чтобы получить такое же количество горячей воды, необходимо будет приобрести аппарат большего размера и соответственно большей стоимости, либо применять дополнительный нагрев электричеством. Либо окупаемость может вообще не наступить, так как этим аппаратом будет неудобно пользоваться.

Простые и недорогие аппараты для нагрева воды в летний сезон для мытья окупаются достаточно быстро. Окупаемость инновационных вакуумных приборов для отопления может достигать десятков лет особенно в сравнении с современными отопителями, работающими по принципу теплового насоса.

Именно от окупаемости зависит распространенность этих изделий. Солнечные коллекторы со сложным устройством стоят существенно дороже и поэтому существенно менее распространены. Очень популярны простые летние водонагреватели и очень редки такие системы для зимнего обогрева помещений.

Фото солнечных коллекторов

Солнечный коллектор | Новый Дом

На сегодняшний день на рынке представлено огромное количество солнечных коллекторов от множества производителей различные по типу, конструкции, эффективности и стоимости. Выбрать самый оптимальный вариант может стать не простой задачей. В данной статье мы постараемся разобраться в особенностях подбора солнечного коллектора для гелиосистем, это позволит Вам сделать правильный выбор и ощутить все преимущества использования солнечной энергии.

Солнечный коллектор: сфера применения

Во-первых, следует определиться, для каких целей Вам нужен солнечный коллектор. Обычно, гелиосистема применяется в бытовом секторе для:

• горячего водоснабжения;
• поддержки отопления;
• подогрева воды в бассейне.

Основные типы солнечных коллекторов

После того, как цели использования определены, можно приступать к подбору типа солнечного коллектора. Уверены, что многие из Вас слышали об извечном споре – вакуумный или плоский солнечный коллектор. На самом деле, явного победителя в этом споре нет. Всё зависит от целей применения солнечной системы, ведь для каждого конкретного случая более подходящим может быть тот или иной вариант. Кроме того, мы пойдем дальше и расширим спектр выбора.

Как известно, существует несколько основных типов вакуумных солнечных коллекторов, которые также значительно отличаются между собой, поэтому будет более корректно рассматривать каждый тип отдельно. Для сравнения были выбраны четыре основных типа вакуумных трубчатых коллекторов и один плоский высокоэффективный:

• Вакуумный трубчатый коллектор с перьевым абсорбером и прямоточным тепловым каналом;
• Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с перьевым абсорбером с тепловой трубкой “heat pipe”;
• U-образный прямоточный вакуумный коллектор с коаксиальной колбой и отражателем;
• Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с коаксиальной колбой и тепловой трубкой “heat pipe”;
• Плоский высокоэффективный солнечный коллектор.

Подробнее об этих параметрах и принципе расчета: эффективность солнечного коллектора.

Первая зона с минимальной разницей температуры характерна для режима работы солнечного коллектора для нагрева воды в бассейне. Режим работы гелиосистемы во второй зоне является оптимальным для горячего водоснабжения в круглогодичном режиме. Третья зона соответствует режиму работы солнечных коллекторов для нужд отопления, поскольку температура окружающего воздуха в отопительный период самая низкая. Четвертая зона используется для получения высоких температур используемых в технологических нуждах. В бытовом секторе такой температурный режим работы встречается крайне редко.
Из графика мы видим, что чем меньше ∆t, фактически это означает — чем ниже температура подачи теплоносителя, тем выше КПД солнечного коллектора. Именно поэтому для гелиосистемы оптимальным является применение низкотемпературных систем отопления таких как «теплые полы». Плоский коллектор и вакуумные трубчатые коллекторы с плоским перьевым абсорбером имеют более высокую производительность при работе на нагрев бассейна и ГВС за счет оптических свойств, способствующих лучшему поглощению солнечного света. В свою очередь вакуумный солнечный коллектор с коаксиальной колбой лучше работает в отопительный период благодаря лучшей теплоизоляции.

Производительность солнечных коллекторов

Следующая диаграмма позволяет оценить среднюю производительность коллекторов за год и за отопительный период (нижняя часть столбца).

Диаграмма позволяет оценить максимальную эффективность при непрерывной работе солнечной системы во время всего года. На практике такие условия практически невозможны и не всегда отображают реальную картину производительности солнечного коллектора.

Для расчета реальной производительности воспользуемся примером. Смоделируем предполагаемый случай применения гелиосистемы для нужд горячего водоснабжения в круглогодичном режиме и поддержки системы отопления теплыми полами со следующими параметрами:

• площадь отопления – 200 м²;
• теплопотери – современная постройка с высоким уровнем теплоизоляции 50 Вт/м² площади;
• место расположения – Киев;
• ГВС – 200 л в сутки;
• апертурная площадь коллекторов – 30 м².

Стоимость солнечного коллектора и полученного тепла

Стоимость солнечных коллекторов может значительно варьироваться и зависит от множества факторов: качество сборки, материал абсорбера и корпуса, толщина и способ укладки изоляции, толщина стекла и т.д. Чтобы оценить стоимость полученной тепловой энергии от солнечных коллекторов зададимся средней стоимостью одного метра квадратного каждого типа солнечного коллектора. Так же взяв за основу срок эксплуатации 25 лет и условия эксплуатации описанные в примере, можем получить значение стоимости полученного 1 кВт*ч энергии.

Однако цена солнечного коллектора не всегда является основополагающим фактором. Более дорогие коллекторы могут иметь больший срок службы и низкие эксплуатационные расходы, связанные с возможными поломками. В связи с этим, можно рассматривать установку как дорогой брендовой техники, так и бюджетных вариантов при определенном уровне начальных капиталовложений.

Выбирая солнечный коллектор, обратите внимание на техническую информацию.

Очень важным фактором для выбора солнечного коллектора является наличие полного технического описания. Наиболее интересные для нас будут значения параметров оптического КПД (ŋ₀), коэффициенты тепловых потерь a₁ (k₁) и а₂ (k₂) и площадь солнечного коллектора (апертурная и общая).  Именно эти параметры позволяют оценить эффективность и рассчитать прогнозируемую производительность солнечного коллектора.

Если производитель или продавец по каким-то причинам не предоставляет эти данные, то в итоге мы получаем “кота в мешке” и не сможем оценить энергетический вклад гелиосистемы, поэтому лучше воздержатся от покупки такого изделия. Наличие международного сертификата (например, от швейцарской лаборатории SPF или Solar Keymark) приветствуется, однако не всегда нам продают коллектор именно с заданными в данном документе параметрами. Особенно этим грешат азиатские производители, тут уж мы ничего не сможем проверить,  остаётся только надеяться на порядочность компании производителя или поставщика.

Как правильно выбрать солнечный коллектор?

Если вы решились на приобретение и установку у себя гелиосистемы, то перед вами неизбежно встанет дилемма как выбрать солнечный коллектор – самый главный элемент солнечной установки.

На сегодняшний день на рынке представлено огромное количество солнечных коллекторов различные по типу, конструкции, эффективности и стоимости. Выбрать самый оптимальный вариант –  не простая задача. В данной статье мы разберемся в особенностях подбора солнечных коллекторов для гелиосистем, что позволит сделать правильный выбор и ощутить все преимущества использования солнечной энергии.

Солнечный коллектор: сфера применения

Во-первых, следует определиться,  для каких целей вам нужен солнечный коллектор. Обычно, гелиосистема применяется в бытовом секторе для:

Каждый вариант может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом, а так же все вместе. Однако в комбинированных системах, есть одна приоритетная цель, на которую и следует ориентироваться выбирая солнечный коллектор.

Основные типы солнечных коллекторов

Уверен, что многие из вас слышали об извечном споре – вакуумный или плоский солнечный коллектор. На самом деле явного победителя в этом споре нет. Всё зависит от целей применения солнечной системы для каждого конкретного случая.

Существует несколько основных типов вакуумных солнечных коллекторов, которые так же значительно отличаются между собой, поэтому будет более корректно рассматривать каждый тип отдельно.

Для сравнения были выбраны четыре основных типа вакуумных трубчатых коллекторов и один плоский высокоэффективный:

• Вакуумный трубчатый коллектор с перьевым абсорбером и прямоточным тепловым каналом.
• Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с перьевым абсорбером с тепловой трубкой “heat pipe”.
• U-образный прямоточный вакуумный коллектор с коаксиальной колбой и отражателем.
• Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с коаксиальной колбой и тепловой трубкой “heat pipe”.
• Плоский высокоэффективный солнечный коллектор.

Большинство аргументов сводятся к весьма абстрактным показателям, таким как: «лучшее восприятия солнечных лучей», «отсутствие теплопотерь», и т.д. Но поскольку у каждого солнечного коллектора есть абсолютно конкретные параметры эффективности, следует доверять именно этим данным для расчета производительности солнечного коллектора в каждом выбранном случае.

Подробнее об этих параметрах и принципе расчета: эффективность солнечного коллектора.

На графике показана зависимость коэффициента полезного действия гелиосистемы от разницы температуры между окружающим воздухом и теплоносителем в солнечном коллекторе при условии солнечного излучения равного 1000 Вт/м². Для анализа воспользуемся средними параметрами для каждого выбранного типа солнечного коллектора указанными на изображении.

Первая зона с минимальной разницей температуры характерна для режима работы солнечного коллектора для нагрева воды в бассейне. Режим работы гелиосистемы во второй зоне является оптимальным для горячего водоснабжения в круглогодичном режиме. Третья зона соответствует режиму работы солнечных коллекторов для нужд отопления, поскольку температура окружающего воздуха в отопительный период самая низкая. Четвертая зона используется для получения высоких температур используемых в технологических нуждах. В бытовом секторе такой температурный режим работы встречается крайне редко.

Из графика видно, что чем меньше ∆t (фактически это означает – чем ниже температура подачи теплоносителя) тем выше КПД солнечного коллектора. Именно поэтому для гелиосистемы оптимальным является применение низкотемпературных систем отопления таких как «теплые полы».

Плоский коллектор и вакуумные трубчатые коллекторы с плоским перьевым абсорбером имеют более высокую производительность при работе на нагрев бассейна и ГВС за счет оптических свойств, способствующих лучшему поглощению солнечного света. В свою очередь вакуумный солнечный коллектор с коаксиальной колбой лучше работает в отопительный период благодаря лучшей теплоизоляции.

 Производительность солнечных коллекторов

Следующая диаграмма позволяет оценить среднюю производительность коллекторов за год и за отопительный период (нижняя часть столбца).

Данные о количестве выработанной энергии получены при помощи расчета, в программе симуляции работы солнечной системы за год. В расчетах используются усредненные данные по солнечному излучению и погоде для города Днепра. Расчеты приведены к 1 м² апертурной площади каждого типа выбранного солнечного коллектора.

Диаграмма позволяет оценить максимальную эффективность при непрерывной работе солнечной системы во время всего года. На практике такие условия практически невозможны и не всегда отображают реальную картину производительности солнечного коллектора.

Для расчета реальной производительности воспользуемся примером. Смоделируем предполагаемый случай применения гелиосистемы для нужд горячего водоснабжения в круглогодичном режиме и поддержки системы отопления теплыми полами со следующими параметрами:

• площадь отопления – 200 м²;
• теплопотери – современная постройка с высоким уровнем теплоизоляции 50 Вт/м² площади;
• место расположения – Киев;
• ГВС – 200 л в сутки;
• апертурная площадь коллекторов – 30 м² ;

На графике видно, что при используя солнечный коллектор для отопления более важным является низкие тепловые потери. При этом хорошие оптические характеристики дают прирост выработки тепла в межсезонье, когда средняя температура воздуха выше, но всё еще необходимо отопление.

В итоге получаем реальную производительность гелиосистемы за год.

Стоимость солнечного коллектора и полученного тепла

Стоимость солнечных коллекторов варьируется и зависит от качества сборки, материала абсорбера и корпуса, толщины и способ укладки изоляции, толщины стекла и т.д. Чтобы оценить стоимость полученной тепловой энергии от солнечных коллекторов зададимся средней стоимостью одного метра квадратного каждого типа коллектора. Так же взяв за основу срок эксплуатации 25 лет и условия эксплуатации описанные в примере выше, получаем значение стоимости полученного 1 кВт*ч энергии.

Тепло полученное от прямоточного вакуумного коллектора с перьевым абсорбером является наиболее дорогим. А тепло полученное от плоского солнечного коллектора самое дешевое, соответственно плоские коллекторы имеют минимальный срок окупаемости.

Однако цена солнечного коллектора не всегда является основополагающим фактором. Более дорогие коллекторы имеют больший срок службы и низкие эксплуатационные расходы, связанные с возможными поломками. В связи с этим, целесообразно рассматривать установку как дорогой брендовой техники, так и бюджетных вариантов при соответствующем уровне начальных капиталовложений.

Важнейшим фактором для выбора солнечного коллектора является наличие полного технического описания. В первую очередь необходимо знать параметры оптического КПД (ŋ₀), коэффициенты тепловых потерь a₁ (k₁) и а₂ (k₂) и площадь солнечного коллектора (апертурная и общая). Именно эти параметры позволяют оценить эффективность и рассчитать прогнозируемую производительность солнечного коллектора.

Если производитель или продавец по каким-то причинам не предоставляет эти данные, то в итоге мы получаем “кота в мешке” и не сможем оценить энергетический вклад гелиосистемы, поэтому лучше воздержатся от покупки такого изделия. Наличие международного сертификата (например, от швейцарской лаборатории SPF или Solar Keymark) приветствуется, однако не всегда нам продают именно тот коллектор который проходит испытания. Особенно этим грешат азиатские производители, тут уж мы ничего не сможем проверить, остаётся только надеяться на порядочность компании производителя или поставщика.

Солнечный тепловой коллектор — обзор

7.7 Солнечные тепловые коллекторы

Солнечные тепловые коллекторы преобразуют солнечное излучение в тепло и передают это тепло среде (воде, солнечной жидкости или воздуху). Солнечные водонагревательные системы (SWH) или системы SHW хорошо зарекомендовали себя в течение многих лет и широко используются во всем мире. В моноблочной системе SWH резервуар для хранения устанавливается горизонтально прямо над солнечными коллекторами на крыше. Перекачивание не требуется, так как горячая вода естественным образом поднимается в бак за счет пассивного теплообмена. В системе с насосной циркуляцией резервуар для хранения устанавливается на земле или на полу ниже уровня коллекторов; Циркуляционный насос перемещает воду или теплоноситель между резервуаром и коллекторами. Существует несколько типов солнечных тепловых коллекторов:

•

Вакуумные трубчатые коллекторы являются наиболее эффективным, но наиболее дорогостоящим типом солнечных коллекторов для горячей воды. Эти коллекторы имеют стеклянные или металлические трубки с вакуумом, что позволяет им хорошо работать в более холодном климате.

•

Солнечные водонагреватели периодического действия, также называемые интегральными коллекторами-накопителями (ICS), имеют резервуары для хранения или трубки внутри изолированного ящика, южная сторона которого застеклена для улавливания солнечной энергии.

•

Плоский коллектор представляет собой коробку, покрытую стеклом или пластиком, с металлической пластиной-поглотителем на дне. Остекление или покрытие на пластине-поглотителе помогает лучше поглощать и удерживать тепло.

•

Неглазурованные плоские коллекторы, обычно сделанные из резины, в основном используются для обогрева бассейнов.

•

Воздухосборники используются в основном для отопления помещений в доме. Плоские солнечные коллекторы представляют собой прочные всепогодные коробки, в которых под прозрачной крышкой находится темная пластина-поглотитель. Они являются наиболее распространенным типом коллекторов, используемых для нагрева воды во многих странах, хотя по многим параметрам они уступают вакуумным трубчатым коллекторам.

Вакуумные трубки с тепловыми трубками сконструированы таким образом, что конвекция и тепловые потери исключены, в то время как плоские солнечные панели содержат воздушный зазор между абсорбером и крышкой, который позволяет возникать тепловым потерям.Более того, системы с тепловыми трубками способны ограничивать максимальную рабочую температуру, тогда как системы с плоскими пластинами не имеют внутреннего метода ограничения тепловыделения, которое может вызвать сбой системы. Наконец, системы с вакуумными тепловыми трубками легки, просты в установке и требуют минимального обслуживания. С другой стороны, системы с плоскими пластинами сложны в установке и обслуживании, и их необходимо полностью заменить, если одна из частей системы перестает работать. На рисунках 7.19 и 7.20 показаны два типа солнечных коллекторов, которые обычно устанавливаются в Южной Австралии.

Рисунок 7.19. Вакуумная трубка. (Сейчас горячая вода, нет данных).

Рисунок 7.20. Плоские солнечные тепловые коллекторы.

Солнечный коллектор с вакуумными трубками состоит из полых стеклянных трубок. Весь воздух удаляется из трубок для создания вакуума, который действует как отличный изолятор. Поглотительное покрытие внутри трубки поглощает солнечное излучение.Эта энергия передается жидкости, движущейся через коллектор, а затем в резервуар для хранения горячей воды. В более прохладном климате теплообменник используется для отделения питьевой воды от нетоксичного антифриза в коллекторе.

Солнечные водонагреватели периодического действия, также называемые системами ICS, состоят из резервуара для воды или трубок внутри изолированного застекленного бокса. Через солнечный коллектор течет холодная вода. Вода нагревается и поступает в резервуар резервного нагрева воды. Некоторое количество воды можно хранить в коллекторе до тех пор, пока она не понадобится.Системы ICS представляют собой тип прямой системы SWH, в которой циркулирует вода для нагрева, а не используется теплоноситель для улавливания солнечного излучения (рисунки 7.21 и 7.22).

Рисунок 7.21. Прямые системы. (A) Пассивная система CHS с баком над коллектором. (B) Активная система с насосом и контроллером, управляемым фотоэлектрической панелью.

Рисунок 7.22. Косвенные активные системы. (C) Непрямая система с теплообменником в баке.(D) Система обратного слива с резервуаром для обратного слива. На этих схемах контроллер и насос приводятся в действие от электросети.

Плоский солнечный коллектор представляет собой изолированный ящик, покрытый стеклом или пластиком с металлической пластиной-поглотителем на дне. Атмосферостойкие коллекторы обычно покрываются покрытием, которое лучше поглощает и удерживает тепло. Жидкий теплоноситель течет по металлическим трубкам, расположенным под пластиной поглотителя.Затем жидкость проходит через теплообменник перед попаданием в резервуар для хранения. Неглазурованные плоские коллекторы (без изоляции или абсорбирующего покрытия) не работают в прохладном или ветреном климате, но отлично подходят для нагрева воды в бассейне (Solar Tribune, 2012).

Солнечные коллекторы горячего воздуха монтируются на южных вертикальных стенах или крышах. Солнечное излучение, достигающее коллектора, нагревает пластину поглотителя. Воздух, проходящий через коллектор, забирает тепло от пластины поглотителя.

Замерзание, перегрев и утечки менее опасны для солнечных коллекторов, чем для жидкостных коллекторов.Однако, поскольку жидкость является лучшим проводником тепла, солнечные коллекторы, использующие воду или теплоноситель, больше подходят для нагрева горячей воды для дома. Солнечные коллекторы горячего воздуха чаще всего используются для отопления помещений. Есть два типа воздухосборников: застекленные и неглазурованные (Energy4You, 2012).

Системы SWH рассчитаны на подачу горячей воды в течение большей части года. В более холодном климате может потребоваться газовый или электрический усилитель в качестве резервного для подачи достаточного количества горячей воды.

Технологические достижения для максимального увеличения выработки энергии солнечными коллекторами: обзор | Дж.Электрон. Packag.

Поскольку он тесно связан с качеством жизни, спрос на энергию продолжает расти по мере роста и модернизации мирового населения. Несмотря на то, что на протяжении десятилетий наблюдался значительный стимул к отказу от ископаемого топлива (например, локализованное загрязнение и изменение климата), солнечная энергия лишь недавно стала играть важную роль в мировом производстве энергии. Индустрия фотоэлектрических элементов (ФЭ) сталкивается со многими из тех же проблем с упаковкой электроники, что и полупроводниковая промышленность, потому что в обоих случаях высокие температуры приводят к снижению производительности системы.Кроме того, есть несколько технологий, которые могут использовать солнечную энергию исключительно в виде тепла. Достижения в этих технологиях (например, солнцезащитные селективные покрытия, оптимизация конструкции и улучшение материалов) также способствовали росту рынка солнечной тепловой энергии в последние годы (хотя и не так быстро, как фотоэлектрическая). В этом документе представлен обзор управления теплом в солнечных тепловых и фотоэлектрических системах с акцентом на последние разработки в области технологий, которые могут собирать тепло для удовлетворения глобальных потребностей в энергии. В нем также рассказывается о возможных способах решения проблем или трудностей, существующих в солнечных коллекторах, таких как солнечная селективность, термическая стабильность и т. Д.В качестве ключевой технологии для снижения потерь тепла на излучение в этих устройствах в центре внимания этой статьи обсуждаются текущие достижения в области солнцезащитных селективных покрытий и рабочих жидкостей, которые потенциально могут быть использованы в тандеме для фильтрации или рекуперации тепла, которое теряется впустую. из клипов. Среди рассмотренных солнцезащитных селективных покрытий рассматриваются недавние достижения в таких категориях селективных покрытий, как диэлектрик-металл-диэлектрик (DMD), многослойные покрытия и покрытия на основе металлокерамики. Кроме того, также рассматривается влияние характерных изменений в остеклении, геометрии поглотителя и системах слежения за солнцем на производительность солнечных коллекторов.Также включено обсуждение того, как эти фундаментальные технологические достижения могут быть объединены с фотоэлектрическими модулями.

Спрос на чистую и устойчивую окружающую среду является главным приоритетом из-за воздействия ископаемого топлива на окружающую среду. Для достижения чистой и устойчивой окружающей среды следует увеличить использование возобновляемых источников энергии, поскольку они обладают потенциалом для производства значительного количества энергии. На поверхности Земли доступно множество возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра, биомасса, геотермальная энергия, термальная энергия океана, гидроэлектроэнергия и ядерная энергия.Солнечная энергия является основным источником энергии и широко доступна. Полная выходная мощность Солнца составляет 3,8 × 10 ²³ МВт, из которых 1,7 × 10 ¹⁴ кВт приходится на поверхность Земли. Если такое количество энергии падает на поверхность Земли в течение 30 минут, оно может удовлетворить общую потребность мира в энергии в течение одного года [1]. Солнечная энергия в изобилии и широко доступна во всем мире, но она представляет собой лишь небольшой кусок «пирога потребления энергии» по сравнению с нефтью, углем и природным газом.

Хотя доставка солнечной энергии бесплатна, коллекторы, необходимые для преобразования ее в полезную энергию, исторически были дорогими (по сравнению с ископаемым топливом). Однако с повышением эффективности преобразования и массовым производством в Китае стоимость солнечных коллекторов ($ / Вт) быстро падает. Фотоэлектрические установки (ФЭ) демонстрировали очень высокие темпы роста из года в год (с удвоением установленной мощности каждые 2–3 года).Фактически, ∼ 7–10% из ∼ 7–8 × 10 ⁶ метрических тонн кремния, производимого каждый год, в настоящее время направляется на производство кремниевых фотоэлектрических элементов (даже при постоянной тенденции к использованию более тонких пластин). Фактически, по сравнению с интегральными схемами, фотоэлектрические элементы теперь представляют собой кремниевую пластину в ~ 100 раз больше, чем электронная упаковка (~ 1100 × 10 ⁹ м ² фотоэлектрической пластины по сравнению с ~ 7 × 10 ⁶ м ² кв. отгрузки полупроводниковых пластин в 2017 г.) [2,3]. Кремниевые фотоэлектрические модули преобразуют только 12–18% поступающего излучения в электричество, поэтому более 80% солнечного излучения либо преобразуется в тепло, либо отражается обратно [4].Хотя этот коэффициент преобразования действительно зависит от материала элемента и условий работы, большая часть поступающей солнечной энергии должна рассеиваться через пассивные или активные механизмы. Чтобы уменьшить потери на отражение для желаемых длин волн (тех, которые превышают ширину запрещенной зоны ячейки), могут быть добавлены антиотражающие слои [5]. Для предварительной фильтрации входящего спектра (например, чтобы гарантировать, что только короткие длины волн достигают ячеек), были предложены разделенные фотоэлектрические / тепловые гибридные солнечные коллекторы (PV / T).В них используются спектрально-селективные зеркала или абсорбционные фильтры [6,7], чтобы использовать потерянную инфракрасную (ИК) часть спектра и избежать нагрева фотоэлектрической ячейки.

Хотя существует множество полупроводниковых материалов, которые работают как фотоэлектрические материалы, например теллурид кадмия (CdTe), селенид меди-индия-галлия (CIGS), сульфид кадмия (CdS), аморфный кремний (a-Si), сульфид меди. (Cu ₂ S) и арсенид галлия (GaAs) и другие [8], технология моно- и поликристаллического кремния, похоже, выиграла коммерческую битву [9] с 95.Доля 5% в мировом производстве фотоэлектрических элементов в 2017 году (остальные 4,5% — это тонкопленочные технологии, а именно CdTe и CI (G) S, а также аморфный кремний) [10]. Чтобы подчеркнуть, насколько далеко эта технология продвинулась за последние 6 десятилетий, в 1958 году эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую энергию кремниевого элемента составляла ~ 11%, а стоимость составляла ~ 1000 долларов США / Вт [1]. Теперь монокристаллические ячейки достигли эффективности 26,7% в лаборатории, а модули из кристаллического кремния стоят менее 1 доллара США / Вт [10]. Из-за высокой первоначальной стоимости фотоэлектрических элементов технология изначально была ограничена космическими приложениями (с очень высокоэффективными ячейками по-прежнему ограничены космическими приложениями), где стоимость не является таким большим ограничением, как вес или надежность [11–13] .По мере снижения затрат фотоэлектрические элементы получили распространение в наземных приложениях, таких как удаленный мониторинг [14–16], автономное освещение [12,13], водная перекачка [17,18] и зарядка аккумуляторов [19–23]. Однако в последние годы фотоэлектрические системы достигли паритета энергосетей во многих частях мира, и было построено несколько солнечных электростанций мощностью> 100 МВт _и [10].

Как самая маленькая коммерчески значимая технология, в элементах из аморфного кремния (a-Si) используется тонкий гибкий слой кремния, нанесенный на подложку.Эта «тонкопленочная» фотоэлектрическая технология имеет относительно низкую эффективность (∼ 6%), но стоимость производства ниже (в пересчете на ² долларов за м), чем кристаллические элементы. Как отмечалось выше, более крупные игроки в тонкопленочной технологии основаны на теллуриде кадмия (CdTe) и селениде меди-индия (галлия), CI (G) S. Обе эти технологии также можно сделать гибкими, что позволит им следовать контурам, полезным для построения интегрированных конструкций. Считается, что CI (G) S (особенно CIS без галлия) будет иметь преимущество в долгосрочной перспективе из-за доступности материалов [1,24].

Из-за большого количества кремния и более высокой эффективности преобразования кристаллический кремний продолжает увеличивать свою долю рынка по сравнению с тонкопленочной технологией [10]. Для крыш жилых домов и больших солнечных ферм, где пространство обычно не является ограничением, эффективность кремния (доминирующая технология) обычно не является препятствием. Однако в некоторых случаях, когда пространственные ограничения нельзя игнорировать (например, многоэтажные здания или промышленные объекты), может быть желательно избегать сброса> 80% доступного солнечного ресурса. В этих случаях было высказано предположение, что гибридные системы PV / T могут обеспечить преимущество [25]. Это связано с тем, что такие системы требуют меньшей площади по сравнению с отдельными фотоэлектрическими и тепловыми коллекторами, что приводит к снижению общей стоимости системы. Еще одна серьезная проблема с кремниевой фотоэлектрической технологией заключается в том, что элементы становятся менее эффективными, поскольку они нагреваются> 80% света, который не извлекается в качестве полезного электричества [1]. Как правило, повышение температуры кремниевого фотоэлемента снижает его эффективность примерно на 0.25 и 0,8% на ° C относительно стандартных условий испытаний 25 ° C, в зависимости от его состава (тип n или тип p , монокристаллический или мультикристаллический, а также от концентрации примесей и дефектов) [ 26–29]. Поэтому охлаждение этих панелей часто рассматривается как повышение эффективности этих панелей.

Солнечный тепловой коллектор — это особый тип теплообменника, который поглощает падающее излучение, преобразует его в тепло, а затем передает тепло рабочей жидкости (воде, маслу, газу [54] и т. Д.).) за счет теплопроводности и конвекции [55]. Солнечные тепловые коллекторы бывают двух типов: (а) неконцентрирующего или стационарного типа и (б) концентрирующего или солнечно-отслеживающего типа [24,56]. Для стационарных коллекторов, таких как коллектор с плоской пластиной, площадь захвата и области поглощения одинаковы. Этих коллекторов достаточно для низкотемпературных применений, таких как водно-воздушное отопление (примерно до 90 ° C). Но для того, чтобы запустить первичный тепловой цикл солнечной энергии (который включает поглощение солнечной энергии и ее преобразование в тепловую энергию в рабочей жидкости), этот цикл должен быть связан с вторичным энергетическим циклом (циклом выработки электроэнергии) [1,57] .Следовательно, для работы вторичного цикла жидкость-теплоноситель должна иметь высокую температуру, что мотивирует проектирование концентрирующих солнечных коллекторов (например, линейно-ориентированных и точечно-ориентированных), а рабочий механизм солнечной тепловой электростанции является как показано на рис. 1. Это показывает, что солнечное излучение фокусируется на приемнике с помощью гелиостатов, за счет чего рабочая жидкость в приемнике нагревается (первичный цикл), что в конечном итоге помогает запускать турбину (вторичный цикл) [ 58].

Концентрирующие коллекторы (как солнечные фотоэлектрические, так и солнечные тепловые) требуют механизма слежения за солнцем, потому что они концентрируют только прямую составляющую солнечного излучения [59,60]. С другой стороны, в неконцентрирующих коллекторах не требуется механизм слежения за солнцем, поскольку они поглощают как прямые, так и рассеянные компоненты солнечного излучения. На рынке доступно большое количество солнечных тепловых коллекторов, их полный список представлен в таблице 1.

Кроме того, температура CPV становится очень высокой, потому что они работают при очень высоких соотношениях концентраций. Это приводит к снижению эффективности системы (поскольку характеристики полупроводников снижаются с повышением температуры). Для повышения эффективности можно сделать специальную компоновку фотоэлектрических устройств, чтобы создать гибридное фотоэлектрическое / тепловое устройство (PV / T), которое может производить как тепловую, так и электрическую энергию [61–63].Существует два типа устройств PV / T: (а) с термической связью и (б) с термической развязкой. Для термически связанной конструкции тепло от фотоэлектрической панели отводится рабочей жидкостью, которая находится в прямом контакте с ней. Принимая во внимание, что термически развязанные системы — это системы, в которых зеркала со спектральным разделением (зеркала с разделением луча) используются для фильтрации определенной энергетической полосы, используемой PV. Остающийся спектр, который находится в диапазоне, отличном от указанного диапазона, в некоторых случаях отводится на тепловой коллектор или наоборот.Это служит обеим целям, предотвращая нагрев фотоэлектрической панели, и в то же время нагревается жидкость. Некоторыми примерами светоделительных зеркал являются SiN _x / SiO ₂ и Nb ₂ O ₃ / SiO ₂ [7,64,65]. Термически развязанные системы оказались более эффективной конфигурацией (по сравнению с термосвязанными системами), потому что фотоэлектрическая панель не подвергается воздействию тепловых колебаний и высоких температур [31].

Улучшение теплопередачи в солнечных коллекторах имеет первостепенное значение для повышения общей эффективности солнечного коллектора.Явление теплопередачи зависит от множества параметров, таких как радиационные и конвективные потери от поверхности поглотителя, сопротивление проводимости материала поглотителя, условия потока рабочей жидкости, площадь поверхности поглотителя в контакте с рабочей жидкостью и т. Д. [1, 66]. Для солнечных тепловых коллекторов четыре компонента играют важную роль в улучшении их тепловых характеристик, и эти компоненты: (а) солнечное селективное покрытие, (б) геометрия поглотителя, (в) остекление и (г) изоляция, как показано на Инжир. 2. Снижение потерь тепла от солнечного теплового коллектора будет первым и очень важным шагом на пути улучшения теплопередачи. Солнцезащитное селективное покрытие вместе с антиотражающим слоем на поверхности поглотителя можно использовать для эффективного поглощения солнечного излучения, а также для уменьшения радиационных потерь с поверхности поглотителя [59,67]. С другой стороны, остекление используется для уменьшения конвективных потерь за счет исключения прямого контакта окружающего воздуха с поверхностью поглотителя.Он также используется для подавления эмиссионных потерь из приемника за счет применения солнечного селективного покрытия на остеклении, которое отражает большую часть инфракрасного излучения, испускаемого из приемника [56]. Изоляция предотвращает кондуктивные потери от основания приемника. Улучшение теплопередачи также может быть достигнуто путем изменения условий потока рабочего тела [60]. Промоторы турбулентности, такие как ребра, канавки и поглотители различной формы, могут быть введены для увеличения турбулентности и, таким образом, увеличения коэффициента конвективной теплопередачи из-за увеличения числа Нуссельта. Использование расширенных поверхностей на поглотителе также может улучшить теплопередачу за счет большей площади поверхности поглотителя [68].

Солнечно-селективное покрытие играет важную роль в коллекторе (как и в CPV). Для CPV (высокотемпературных фотоэлектрических элементов) селективные покрытия для солнечной энергии (селективные передатчики) размещаются перед фотоэлектрическими панелями, а в солнечных тепловых коллекторах селективное покрытие используется для поглощения солнечного излучения.В идеале селективное покрытие должно иметь 100% поглощающую способность ниже длины волны отсечки ( λ _c ∼ 2–3 μ м) и 0% поглощающую способность при длине волны отсечки. Однако настоящее солнечное селективное покрытие не имеет резкой длины волны отсечки, из-за чего они не обладают 100% поглощающей способностью.

По сути, длина волны отсечки — это компромисс между способностью поглощения солнечного излучения и радиационными потерями от селективного покрытия, а поглощающая способность и излучательная способность не являются взаимно независимыми друг от друга. Чтобы оптимизировать характеристики поверхности с селективным солнечным светом, необходимо найти компромисс между поглощением и излучением поверхностей. Взвешенная по солнечному излучению поглощающая способность ( A, _sa ) идеального солнечного селективного покрытия для различных длин волн отсечки рассчитывается с использованием уравнения. (3) ниже и показан на рис. 3.

Asa = ∫0λcutoffαλ Qλdλ∫02,5μmQλdλ

ε = ∫ελEλ, Tdλ∫Eλ, Tdλ, где ελ = 1 для λ≤λcutoffελ = 0 для λ≥ λcutoff

, где α _λ — спектральная поглощающая способность, Q _λ — спектральная мощность солнечного излучения, E _{λ, T} — спектральная мощность излучения для температуры поверхности T и ε _λ — спектральная излучательная способность поверхности.

На рисунках 3 и 4 представлены максимально достижимые тепловые характеристики для идеальной поверхности с селективным солнечным фильтром, и эти рисунки показывают, что существуют теоретические пределы поглощательной способности и излучательной способности селективного покрытия от солнечного излучения. Однако, как указывалось выше, настоящие солнечные селективные покрытия не имеют резких длин волн отсечки. Но настоящие солнечно-селективные покрытия разработаны таким образом, что они должны иметь свойства, близкие к свойствам идеальных солнечных селективных покрытий.Поглощающая способность и излучательная способность некоторых реальных солнечных селективных покрытий показаны на рис. 5 и 6 соответственно.

Эффективность солнечных тепловых коллекторов может быть улучшена следующими способами: (а) увеличение солнечной селективности поглотителя [67,71], (б) уменьшение тепловых потерь из коллектора [72–75] и (в) ) увеличение коэффициента теплоотдачи между поверхностью абсорбера и рабочей жидкостью (вода, масло, расплавленные соли и др. )) [76,77]. Чтобы увеличить солнечную селективность поглотителя и уменьшить тепловые потери в коллекторах [67], исследователи работают над различными типами солнечных селективных покрытий. В некоторых случаях различные материалы накладываются друг на друга над подложкой в ​​оптимальной комбинации для достижения лучших оптических и термических свойств. Различные типы солнечных селективных покрытий, на которых проводятся недавние исследования: (а) поглотители диэлектрик-металл-диэлектрик (DMD) [78], (б) металлокерамические композиты [79–81], (в) многослойные поглотители [82–84]. ] и (г) текстурированные поглотители [85–87].Детали этих солнечных селективных покрытий обсуждаются в гл. 2.1. Затем следует обсуждение достижений в геометрии поглотителя (раздел 2.2) и остеклении (раздел 2.3). Оптические свойства системы также могут быть улучшены за счет использования жидкостей, содержащих наночастицы (также известных как наножидкости) [6,88,89]. Различные экспериментальные и численные исследования были проведены с солнечными тепловыми коллекторами на основе наножидкостей, в которых солнечное излучение непосредственно поглощается наножидкостью. Детали этих исследований обсуждаются в гл.2.4. Кроме того, обсуждение устройств слежения за солнцем включено в разд. 2.5. Кроме того, разд. 2.6 содержит краткое обсуждение достижений в области модифицированных солнечных приемников, то есть вакуумных трубчатых коллекторов (ETC).

В этой статье представлен всесторонний обзор последних разработок в области солнечных тепловых коллекторов, а также возможностей для фотоэлектрических систем. В этой обзорной статье разд. 2 посвящен технологическим достижениям в отдельных компонентах солнечного теплового коллектора.Он включает достижения в различных типах покрытий поглотителя, геометрические импровизации формы поглотителя, разработки в области остекления (стеклянное покрытие), исследование жидкостей, содержащих наночастицы, достижения в системах слежения за солнечным светом и достижения в области модифицированных приемников солнечного излучения. В разделе 3 представлены перспективы на будущее, которые включают перспективные направления и проблемы для последующего развития солнечных приемников.

Солнечные селективные покрытия могут успешно применяться как в солнечных коллекторах, так и в фотоэлектрических модулях.В обоих случаях цель состоит в том, чтобы поглотить полезные части солнечного спектра (например, более короткие волны), контролируя при этом ИК-излучение. В случае фотоэлектрических систем избыточная энергия, которая не извлекается в виде электричества, приводит к увеличению температуры поверхности (и последующему снижению эффективности) [27,90]. Чтобы решить эту проблему, на стеклянную крышку фотоэлектрического модуля можно нанести селективные покрытия передатчика. Эти покрытия действуют как фильтр и позволяют передавать на фотоэлементы только желаемые части спектра, а также могут быть спроектированы так, чтобы максимизировать инфракрасное излучение (чтобы помочь охладить элементы) [31,91].Есть две категории таких покрытий: в первой используется принцип покрытий DMD, а во второй — однослойные оксиды металлов [91]. Среди различных покрытий DMD покрытия ZnS-Ag-ZnS оказались достаточно эффективными, тогда как оксид индия и олова (ITO) лучше всего подходит для второй категории [92,93]. Из-за требований жестких допусков к покрытиям ZnS-Ag-ZnS, как правило, предпочтение отдается ITO. Антибликовое покрытие поверх ITO может еще больше улучшить характеристики элемента.

С другой стороны, для солнечных тепловых коллекторов поверхность абсорбера — это компонент, в котором солнечная энергия поглощается (как тепловая энергия).Обычно сам поглотитель изготавливается из металла с высокой проводимостью (такого как медь или алюминий) и имеет на нем солнечное селективное покрытие, которое обеспечивает высокую поглощающую способность в солнечном спектре. Идеальное солнечное селективное покрытие должно иметь высокое солнечное поглощение ( α ) и низкое тепловое излучение ( ε ) для эффективного фототермического преобразования. Следовательно, желательно, чтобы оптические свойства поверхности были такими, чтобы ρ ≈ 0 для λ ≤ 3 μ м и ρ ≈ 1 для λ ≥ 3 μ м [67], где α + ρ = 1.Поскольку тепловые радиационные потери для солнечных поглотителей прямо пропорциональны четвертой степени температуры поверхности ( T ⁴ ), низкий коэффициент теплового излучения имеет первостепенное значение для высокотемпературных применений [94]. Существует два основных механизма поглощения падающего излучения: (а) собственное поглощение и (б) поглощение, вызванное интерференцией. Собственное поглощение характеризуется коэффициентом экстинкции ( κ ) покрытия, тогда как поглощение, вызванное интерференцией, зависит от показателя преломления ( n ) и толщины покрытия, а также свойств подложки [95–97 ].Для достижения высокого поглощения солнечного излучения в солнечных селективных покрытиях используются различные комбинации этих двух механизмов поглощения. В зависимости от конструкции существуют различные типы селективных покрытий, и детали этих покрытий обсуждаются ниже. Далее, классификация поглотителей в зависимости от конструкции и рабочего механизма приводится ниже вместе с пояснением [67,78,87] и схемой (Рис. 7):

• (i)

  Собственный поглотитель [98–100]: В собственном поглотителе используется один материал с присущими ему селективными свойствами.Природные материалы не обладают идеальными солнечными селективными свойствами. Схема показана на рис. 7 (а).

• (ii)

  Металлический полупроводниковый тандемный поглотитель [101–104]: он использует свойство запрещенной зоны полупроводника поглощать коротковолновое излучение, а также обеспечивает низкий коэффициент теплового излучения (из-за металлических слоев). Схема показана на рис. 7 (б).

• (iii)

  Керметопоглотитель [80,81,105]: также известен как «мультидиэлектрические композитные покрытия». Он состоит из диэлектрической или керамической матрицы, удерживающей наноразмерные металлические частицы.Как правило, они стабильны для высокотемпературных применений (концентрированная солнечная энергия ((CSP)). Схема показана на рис. 7 (c).

• (iv)

  Текстурированный поглотитель [85,87]: обеспечивает высокую степень поглощения солнечного излучения. с дендритными, пористыми, гранулированными или игольчатыми микроструктурами, улавливающими солнечную энергию путем многократных отражений. Он не очень чувствителен к воздействию окружающей среды (например, окислению, тепловым ударам). Схема показана на рис. 7 (d).

• (v)

  Поглотитель диэлектрик-металл-диэлектрик (DMD) [78,95]: он эффективно поглощает солнечный свет, используя множественные отражения между альтернативными слоями диэлектрика и металла.Его легко изготовить из небольшого количества материала, что снижает затраты на расходные материалы. Схема показана на рис. 7 (е).

• (vi)

  Многослойный поглотитель [82–84]: он имеет несколько альтернативных слоев просветляющего, диэлектрического, металлического покрытия, ИК-отражателя и т. Д. В этом типе поглотителя преобладает поглощение, вызванное помехами. Его главный недостаток — дороговизна изготовления. Схема показана на рис. 7 (f).

• (vii)

  Селективно пропускающее солнечное излучение покрытие на поглотителе, подобном черному телу [67,106]: Обычно оно используется для низкотемпературных применений в качестве поглотителя типа черного тела.Это может быть полезно для высокотемпературных применений с высоколегированными полупроводниками. Схема показана на рис. 7 (g).

Кроме того, солнечные селективные покрытия можно также классифицировать в зависимости от рабочей температуры [67]:

• (a)

  Низкотемпературное селективное солнечное покрытие: Все покрытия, используемые при температурах ниже 100 ° C.

• (b)

  Среднетемпературное солнечное селективное покрытие: Эти типы покрытий имеют стабильный температурный диапазон от 100 до 400 ° C. Здесь используются материалы селективного покрытия, такие как PbS, TiNxOy, NiCrOx, цветная нержавеющая сталь (SS), черный никель NiS-ZnS и т. Д. Эти селективные покрытия используются для промышленного нагрева тепла и солнечного опреснения горячей воды. Чтобы повысить общую эффективность системы и противостоять деградации окружающей среды, среднетемпературные покрытия должны обладать такими свойствами, как самоочищение, прозрачность и супергидрофобность [67].

• (c)

  Высокотемпературное покрытие для селективности к солнечному свету: Эти типы покрытий используются для применений с рабочими температурами выше 400 ° C. Для этого диапазона температур такие материалы, как Ni-Al ₂ O ₃ , Co-Al ₂ O ₃ , Mo-Al ₂ O ₃ , CuO, W-WOx, Au / TiO ₂ и др. [107]. Концентрирующие солнечные энергетические установки могут использовать этот тип покрытия для выработки солнечной тепловой энергии. Разработать селективные покрытия для высокотемпературных межслоевых материалов (Mo, Ta, Pt и др. )) наносятся на подложку для уменьшения коэффициента теплового излучения. Существует множество факторов [67], из-за которых высокотемпературные селективные покрытия начинают деградировать, а именно: атмосферная коррозия, вызванная загрязнением, гидратация поверхности селективного покрытия из-за конденсации атмосферной влаги, межслойная диффузия, окисление из-за интенсивных термических условий, плохая межслойная адгезия, химические реакции и т. д.

Еще одним методом увеличения поглощения на коротких длинах волн является «улавливание света» — явление, при котором используются множественные отражения в многослойных слоях покрытия поглотителя.Коэффициент поглощения солнечного излучения DMD-покрытиями может быть увеличен путем изменения оптических постоянных металлических и диэлектрических слоев [78]. Многие исследователи работали над улучшением покрытий из DMD за последнее десятилетие.

Чтобы исследовать основной механизм покрытия DMD, Khelifa et al. [97] исследовали способ изготовления, а также структурные и оптические свойства поглотителя солнечной энергии из Cr ₂ O ₃ / Cr / Cr ₂ O ₃ DMD.Он состоит из тонкого полупрозрачного металлического слоя хрома, помещенного между двумя диэлектрическими слоями оксида хрома, нанесенными на подложку из нержавеющей стали. В этом случае поглощение из-за интерференции является более доминирующим по сравнению с собственным поглощением, поскольку n выше, чем κ среднего слоя Cr и верхнего слоя Cr ₂ O ₃ слоев. Тогда как для нижнего слоя Cr ₂ O ₃ значения κ выше, чем значения n , что показывает, что поглощение падающего излучения в этом слое в основном связано с собственным поглощением, а не с механизмом интерференции.Было показано, что это покрытие DMD демонстрирует хорошее значение коэффициента поглощения солнечного излучения ( α ) α = 0,89 и значение теплового излучения ( ε ) ε = 0,25 при 100 ° C. Аналогичным образом Нуру и соавт. [96] исследовали микроструктуру, оптические свойства и термическую стабильность солнечного поглотителя MgO / Zr / MgO DMD. Оксид магния (MgO) был выбран для высокотемпературных применений из-за его свойств, таких как хорошая теплопроводность, высокая термостойкость и высокая температура плавления.Покрытие термически стабильно в вакууме до 400 ° C. Однако оптические свойства начинают ухудшаться примерно при 500 ° C из-за термически активированной взаимной диффузии атомов между слоями. Это покрытие DMD имеет α = 0,918 и ε = 0,10. Далее, чтобы проверить влияние отжига (на воздухе) на термическую стабильность DMD-поглотителя MgO / Zr / MgO, Нуру и др. [107] также провели экспериментальное исследование термообработки селективного покрытия (MgO / Zr / MgO) в течение 2 и 24 часов.Спектральная селективность покрытия после 2 ч термообработки представлена ​​на рис. 8.

На рис. 8 показано, что оптические свойства (коэффициент поглощения и эмиттанс) изменились незначительно в процессе отжига до 300 ° C. Таким образом, сделан вывод, что покрытие термически устойчиво на воздухе до 300 ° C. Однако при температуре около 400 ° C внезапное снижение солнечной селективности ( α / ε = 0.91 / 0,12) происходит из-за уменьшения поглощения солнечного излучения и увеличения теплового излучения. Авторы пришли к выводу о следующих причинах ухудшения свойств покрытия при высоких температурах (по результатам анализа обнаружения упругой отдачи тяжелых ионов) следующим образом: (i) наружная диффузия слоев Zr к поверхности покрытий, (ii) изменение химического состава MgO. и (iii) увеличение окисления основного металлического слоя Zr. Долговременная термическая стабильность указанного покрытия DMD регистрируется при температуре до 250 ° C на воздухе в течение 24 часов, что делает его пригодным для среднетемпературных применений.

Из предыдущих ссылок можно легко определить возможности для последующих исследований по улучшению характеристик покрытий DMD для высокотемпературных применений. Таким образом, следующий обзор сосредоточен на повышении термической стабильности покрытий DMD. Selvakumar et al. [95] разработали DMD-HfO _x / Mo / HfO ₂ солнечно-селективное покрытие для высоких температур с дальнейшим использованием дополнительного слоя молибдена между подложкой и покрытием в качестве диффузионного барьера.В этом покрытии HfO ₂ действует как просветляющее покрытие, Mo действует как металлическая прослойка, а HfO _x как поглотитель. Это покрытие в первую очередь работает по основному механизму, вызванному интерференцией. Они использовали подложки из Cu и SS, на которые было нанесено покрытие HfO _x / Mo / HfO ₂ . Молибден представляет собой металлическую прослойку из-за его низкого коэффициента отражения в видимой области, высокого коэффициента отражения инфракрасного излучения и хорошего поглощения солнечного излучения. Высокий коэффициент отражения инфракрасного излучения приводит к низкому коэффициенту излучения в инфракрасной области из-за более высокой плотности свободных электронов Мо. В HfO _x решающую роль играет содержание кислорода; когда HfO _x имеет более низкое содержание кислорода, он действует как поглотитель, который проявляет значительное поглощение в видимой области. С другой стороны, когда HfO _x имеет более высокое содержание кислорода, он действует как антибликовое покрытие, которое обеспечивает большую прозрачность в широком спектральном диапазоне (от ультрафиолетового до среднего ИК диапазона). Авторы пришли к выводу, что оптимизированный многослойный поглотитель HfO _x / Mo / HfO ₂ на медной подложке демонстрирует высокое поглощение солнечного излучения α = 0.905–0,923 и низкое тепловое излучение ε ₈₂ ° C = 0,07–0,09, тогда как на подложке из SS они достигли α = 0,902–0,917 и ε ₈₂ ° C = 0,15–0,17. Покрытие HfO _x / Mo / HfO ₂ на подложке из Cu и SS может выдерживать температуры ≥ 400 ° C в течение 2 часов без значительного изменения значений коэффициента поглощения и излучения. Но деградация Cu-подложки начинается после 350 ° C, потому что образование оксида начинается после этого температурного диапазона. Чтобы решить эту проблему, они ввели в настоящее покрытие тонкий промежуточный слой Mo (40 нм) (он действует как диффузионный барьер), так что новый четырехслойный слой (Mo / HfO _x / Mo / HfO ₂ ) покрытие обладает высокой солнечной селективностью ( α / ε = 0.872 / 0,09) с термостойкостью до 600 ° C.

Аналогичным образом, Нуру и др. [108] проверили влияние тантала (Ta) в качестве диффузионного барьера на оптические свойства и термическую стабильность поглотителя солнечной энергии Cu / Ta / Al _x O _y / Pt / Al _x O _y . Причины выбора тантала в качестве диффузионного барьера — хорошая адгезия, высокая температура плавления (3017 ° C) и химическая стабильность с медной подложкой.Современный солнечный поглотитель термически стабилен до 700 ° C на воздухе, тогда как без диффузионного слоя Ta он был стабильным при температурах ниже 500 ° C. Длительный отжиг показал, что многослойное покрытие стабильно до 550 ° C на воздухе в течение 24 ч; Ранее он был стабилен только до 450 ° C без слоя Ta [109].

С другой стороны, для многослойных или тандемных покрытий несколько слоев различных материалов накладываются друг на друга для получения определенной характеристики, которая впоследствии улучшит характеристики поглотителя.Каждый слой, добавленный в тандемный поглотитель, либо улучшает селективность солнечного излучения, либо усиливает термическую стабильность, так что поглотитель будет поглощать больше излучения и меньше рассеивать его при сравнительно более высоких температурах (около 500 ° C и выше).

Jyothi et al. [83] изготовили тандемное покрытие поглотителя TiAlC / TiAlCN / TiAlSiCN / TiAlSiCO / TiAlSiO, предназначенное для высокотемпературных применений солнечной тепловой энергии. Конструкция тандемного поглотителя от нижнего до верхнего слоя включает последовательно три поглотителя: (TiAlC / TiAlCN / TiAlSiCN), полупрозрачный слой (TiAlSiCO) и антибликовый слой (TiAlSiO).От нижнего (TiAlC) к верхнему слою (TiAlSiO) уменьшение объемной доли металла модулируется, чтобы поддерживать градиент показателя преломления для достижения высокого коэффициента поглощения. Новый тип тандемного поглотителя был нанесен на покрытую вольфрамом подложку из нержавеющей стали, что дало коэффициент поглощения солнечного излучения α = 0,961 и коэффициент теплового излучения ε ₈₂ ° _C = 0,07. Покрытие также термически стабильно в вакууме до 650 ° C в течение 100 ч при циклическом нагревании.

Следовательно, часть исследовательских работ также была сосредоточена на уменьшении тепловых потерь в виде ИК-излучения от подложек поглотителя. Сибин и др. В работе [110] была предпринята экспериментальная попытка управлять тепловым излучением подложки из нержавеющей стали путем изменения толщины слоя вольфрама (W). Слой вольфрама, отражающий инфракрасное излучение, был нанесен под тандемный поглотитель AlTiN / AlTiON / AlTiO с использованием магнетронного распыления постоянного тока.Изменение солнечной селективности ( α / ε ) для различной толщины вольфрамового покрытия показано на рис. 9.

Из рис. 9 видно, что спектральная селективность увеличивается с увеличением толщины покрытия (в диапазоне 100–900 нм). Сибин и др. [110] также пришли к выводу, что низкий коэффициент теплового излучения тонкой пленки вольфрама зависит от низкого сопротивления того же слоя. Сопротивление листа уменьшается с увеличением толщины пленки вольфрама.Микроструктурные дефекты в слое вольфрама, такие как дислокации, точечные дыры, вакансии, межузельные частицы и т. Д., Приводят к увеличению удельного сопротивления. Они показали хорошую термическую стабильность при высоких температурах (до 750 ° C) в вакууме. В процессе отжига вольфрамовые покрытия были термически стабильны на воздухе до 300 ° C; тепловое излучение увеличивается, когда рабочие температуры превышают 350 ° C. Солнечное селективное покрытие тандемного поглотителя W / AlTiN / AlTiON / AlTiO показало коэффициент поглощения 0.955 и эмиттанс 0,08.

В дополнение к ИК-отражателю, можно заметить, что необходимо провести исследования антиотражающих свойств покрытия, поскольку антиотражающий слой наверху позволяет покрытию поглощать максимальные солнечные спектры. Dan et al. [111] также изготовили покрытия W / WAlN / WAlON / Al ₂ O ₃ на подложках из нержавеющей стали для поглощения максимально возможного солнечного излучения с минимальным тепловым излучением.В соответствии с конструкцией покрытия вольфрам действует как покрытие, отражающее инфракрасное излучение, основным слоем поглотителя является WAlN, WAlON действует как слой полупоглотителя, а верхний слой оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ) работает как просветляющий слой. Различные значения оптических свойств для различных комбинаций слоев покрытия показаны на рис. 10.

Из рис. 10 можно сделать вывод, что после нанесения Al ₂ O ₃ в качестве антиотражающего слоя тандемные абсорбирующие покрытия демонстрируют высокий коэффициент поглощения 0.958. Покрытие термически стабильно на воздухе до 500 ° C в течение 2 ч с незначительными изменениями спектральной селективности. Результаты долгосрочной термостабильности показывают, что покрытие является термостойким до 350 ° C и 450 ° C в течение 550 и 150 часов соответственно, и не было значительного ухудшения оптических свойств покрытия. Упомянутый тандемный поглотитель может иметь коэффициент поглощения солнечного излучения 0,958 и коэффициент теплового излучения 0,08.

Кроме того, Dan et al.[112] обнаружили, что в широком диапазоне углов падения от 18 до 58 градусов тандемный поглотитель (покрытие W / WAlN / WAlON / Al ₂ O ₃ ) демонстрирует высокую степень поглощения солнечного излучения. Также Dan et al. [113] подтвердили, что для поддержания высокой селективности желательно получить окрашенный внешний вид покрытия.

Аналогичным образом, Selvakumar et al. [114] разработали новое солнечное селективное покрытие (HfMoN / HfON / Al ₂ O ₃ ) на подложке из нержавеющей стали, которая имеет высокую солнечную селективность и хорошую термическую стабильность в вакууме.В нем используется комбинация тандема поглотитель-отражатель и двухслойного просветляющего покрытия (DLARC). В DLARC нижний слой должен иметь высокий показатель преломления по сравнению с верхним слоем, чтобы получить многообещающие результаты. Уменьшение отражательной способности в широком диапазоне длин волн может быть достигнуто с помощью двойных минимумов отражательной способности, что становится основным преимуществом DLARC. Детали каждого слоя этого покрытия показаны на рис. 11.

Постепенное уменьшение показателя преломления от подложки к верхнему слою приводит к высокому коэффициенту поглощения тандемного поглотителя (подтверждено эллипсометрическими измерениями).Поглощающая способность тандемного поглотителя увеличивается с 0,92 до 0,95 при идентичных условиях из-за добавления покрытия Al ₂ O ₃ поверх трехслойного тандемного поглотителя. В этом покрытии с DLARC преобладают интерференционные и собственное поглощение из-за увеличения показателя преломления ( n ) в последующих слоях сверху вниз. Многослойное покрытие термостабильно на воздухе при 475 ° C в течение 34 часов, в то время как оно термически стабильно в вакууме при 600 ° C в течение 450 часов и при 650 ° C в течение 100 часов без изменения эмиттанса и снижения коэффициента излучения на 1%. поглощение.

В последние годы керметы интенсивно исследуются с целью достижения таких свойств, как более высокая селективность к солнечному свету и улучшенная термическая стабильность. Покрытия из керметов представляют собой композиты металлических наночастиц, заключенных в диэлектрическую или керамическую матрицу (например, оксид, нитрид, оксинитрид и т. Д.). Он должен иметь металлические свойства в инфракрасном (ИК) спектре и керамические свойства в остальном спектре.

Barshilia подала патент [105] на солнцезащитное покрытие на основе металлокерамики, которое может использоваться для высокотемпературных применений, таких как концентрированная солнечная энергия. Покрытие (Ti / AlTiN / AlTiON / AlTiO на подложке из нержавеющей стали) было подготовлено для получения превосходных термических и механических свойств, таких как длительная термическая стабильность на воздухе, а также в вакууме, высокая однородность поверхности, высокая твердость, устойчивость к царапинам, более высокая влагостойкость. , химическая инертность и др.С помощью этого селективного покрытия можно достичь коэффициента поглощения солнечного излучения ( α, = 0,927) и теплового излучения ( ε = 0,16). Автор пришел к выводу, что покрытие термостойко на воздухе до 350 ° C в течение 1000 ч и в вакууме до 450 ° C в течение 1000 ч в условиях циклического нагрева.

Кроме того, Нуру и др. [80] исследовали оптические свойства и термическую стабильность многослойного Pt и Al ₂ O ₃ , а также одного слоя Pt-Al ₂ O ₃ кермета.В этом исследовании они пришли к выводу, что выбор Мо в качестве материала ИК-отражателя повысит селективность солнечного спектра. В идеале оптимизированный двойной кермет Pt-Al ₂ O ₃ будет расслоен следующим образом: Mo ∼ 100 нм / Pt-Al ₂ O ₃ ∼ 60 нм / Pt-Al ₂ O ₃ ∼ 40 нм / Al ₂ O ₃ ∼ 80 нм. Двойное керметное покрытие имеет коэффициент поглощения солнечного излучения ( α ), равный 0,97, и коэффициент теплового излучения ( ε ), равный 0,05.

В качестве новой попытки достичь комбинированных свойств металлокерамики и текстурированных поглотителей Karoro et al. [87] разработали и исследовали микроструктурные и оптические свойства лазерных наноструктурированных наноцилиндров кобальта (Co) -Al ₂ O ₃ керметов. Это покрытие можно рассматривать как новое семейство солнцезащитных селективных покрытий, поскольку оно может быть классифицировано как текстурированная поверхность, а также как металлокерамический композит из-за его уникальных деталей изготовления.Этот вид покрытия работает с тремя различными механизмами поглощения света, а именно с анти-ИК-отражением и плазмонными эффектами, захватом света неровностями поверхности и / или зависимостью от углового отражения Френеля. Повышение оптического поглощения наноструктурированного керметного покрытия можно наблюдать по сравнению с обычными керметами Co-Al ₂ O ₃ керметов со значением α ( λ ) выше 0,98 и тепловым излучением ε ( λ ) из 0.03. Это покрытие обеспечивает гибкое, привлекательное и экономичное применение селективных поглотителей солнечной энергии.

Многие исследователи проявили новизну в своих исследованиях солнечных селективных покрытий для солнечных коллекторов — поглотителей. Некоторые из них разработали новые методы для производства различных покрытий или отдельных слоев, чтобы добиться экономической эффективности, простоты изготовления и в некоторых случаях сделать метод экологически безопасным [115,116].Wang et al. [117] экспериментально продемонстрировали солнечно-селективное метаматериальное покрытие с наноструктурированными титановыми решетками, нанесенными на непрозрачную пленку вольфрама и сверхтонкую прокладку MgF ₂ . Чтобы свести к минимуму возможность образования трещин на границе раздела двух слоев при высоких температурах, MgF ₂ с лучшим коэффициентом теплового расширения идеально подходит как для слоев вольфрама, так и для слоев титана. До 350 ° C ухудшения оптических свойств не происходило, что свидетельствует о термической устойчивости покрытия.Прогнозируемая эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую для этого солнечного селективного покрытия составит 78% при 100 ° C без оптической концентрации или 80% при 400 ° C при 25 солнечных лучах.

Кроме того, Wu et al. В работе [118] исследовано влияние легирования кремнием (Si) на термическую стабильность (на воздухе и в вакууме) отдельного слоя поглотителя, состоящего из Al / NbTiSiN / NbTiSiON / SiO ₂ солнечного селективного покрытия, нанесенного на подложку из нержавеющей стали.Термическая стабильность зависит от материалов покрытия, а свойства можно улучшить, добавив такие материалы, как Si, Al или Cr. Среди этих материалов Si более эффективен, чем другие, из-за его более высокой стойкости к окислению и антидиффузионной способности. Когда это Si-покрытие выдерживается при 500 ° C на воздухе в течение 2 часов, значения поглощающей способности и излучательной способности сохраняются на уровне 0,922 и 0,13 соответственно.

Подводя итог, следует отметить, что для высокотемпературных применений, например.g., CSP, наиболее перспективны композитные селективные покрытия на основе металлокерамики. Чтобы улучшить характеристики солнечных тепловых коллекторов, можно использовать дополнительные слои (например, Mo, Ta, Al ₂ O ₃ и т. Д.), Обладающие такими свойствами, как антиотражающий (солнечный спектр), антидиффузионный, ИК-отражающий и т. Д. . В будущем следует предпринять больше новых попыток для создания покрытий, подобных метаматериалам, в которых объединены две разные категории солнечных селективных покрытий, чтобы обеспечить требуемые оптические и термические свойства.Наконец, подробные сведения обо всех композициях материалов и методах приготовления, обсуждаемых здесь, приведены в таблице 2.

Хотя селективные покрытия могут обеспечить превосходный контроль излучения, эти методы ограничены их дополнительной стоимостью. С другой стороны, изменение геометрии солнечного коллектора обеспечивает недорогой механизм управления отводом тепла от солнечного поглотителя. Также были проведены многочисленные исследования по оптимизации геометрии и ориентации солнечных тепловых и фотоэлектрических коллекторов, наряду с исследованиями наилучшей геометрической конфигурации для термически связанных и развязанных конфигураций фотоэлектрических гибридов.Во всех случаях геометрия играет решающую роль с точки зрения отвода тепла в пассивный (например, воздух) или активный (например, вода, масла, наножидкости) теплоноситель. Все эти конструкции работают либо за счет возмущения потока жидкости (например, для создания перемешивания), либо за счет более легкого прохождения потока (например, пассивно усиливая естественную конвекцию в интегрированных фотоэлектрических системах или снижая мощность накачки в тепловом коллекторе). .

Исследовательские работы по изменению геометрии поглотителя можно условно разделить на две категории:микромасштабные и макромасштабные изменения. При микромасштабных изменениях были исследованы искусственные шероховатости и микроканалы под поверхностями поглотителя. Такая гофра на поверхности абсорбера приводит к увеличению коэффициента теплопередачи за счет увеличения площади поверхности, что приводит к турбулентному потоку. Bisht et al. [77] представили подробный обзор различных методов создания искусственной шероховатости на нижней стороне поверхности поглотителя с целью улучшения характеристик солнечных воздухонагревателей.Они описали влияние различных стилей придания шероховатости, таких как V-образные ребра, канавки, дугообразные ребра, дугообразные ямки, S-образные ребра, гиперболические ребра и т. Д. На улучшение теплопередачи. Они пришли к выводу, что несколько V-образных ребер с зазором представляют собой наиболее эффективный тип шероховатости, который обеспечивает более высокое улучшение теплопередачи и меньший перепад давления в потоке теплопередачи. Oyinlola et al. [121] экспериментально исследовали влияние геометрии микроканала на поглотитель компактного плоского солнечного коллектора.На основании результатов авторы заявили, что значительное улучшение тепловых характеристик может быть достигнуто за счет увеличения скорости жидкости с соответствующим увеличением подводимой мощности накачки. Микроканалы с канавками глубиной 0,25 мм были признаны наиболее эффективной и оптимизированной конструкцией для пластины поглотителя.

Макромасштабные изменения геометрии поглотителя могут быть выполнены путем изменения эффективной площади, формы или ориентации поглотителя.Всесторонний обзор теплового управления PV, проведенный Du et al. предоставляет детали для многочисленных предложенных геометрических конструкций, которые эффективно увеличивают естественное / принудительное воздушное охлаждение и оптимизированные конструкции гидравлического охлаждения для фотоэлектрических систем [122]. В общем, одни и те же методы принудительной конвекции работают для отвода тепла как от фотоэлектрических, так и от солнечных тепловых поглотителей, включая включение внутренних ребер, изменение поперечного сечения поглотителя по всей длине, изменение характера оси трубы поглотителя и т. Д. Bellos et al.[123] исследовали тепловые характеристики поглотителей с внутренними ребрами параболических желобных коллекторов (PTC) с двенадцатью различными геометриями ребер. Ребра были прямоугольными, построены на внутренней периферии трубы поглотителя, по длине трубы поглотителя и по направлению к центру поперечного сечения поглотителя. Они также сравнили геометрию ребер с гладкими (обычными) абсорбирующими трубами на основе таких параметров, как термический КПД, число Нуссельта, потери давления и т. Д. Целью этого исследования было изучить различные конструкции ребер с помощью вычислительного анализа гидродинамики. и для определения оптимальных размеров ребер или соотношения сторон для максимального теплового КПД при минимально возможных потерях давления.Авторы пришли к выводу, что длина ребра является более важным фактором по сравнению с толщиной ребра, чтобы получить более высокий тепловой КПД при меньших перепадах давления. Кроме того, Bellos et al. [76] теоретически проанализировали влияние различных типов HTF и изменили геометрию поглотителя на общие тепловые характеристики PTC. Это исследование продемонстрировало улучшение характеристик PTC за счет изменения формы трубки поглотителя в виде волнистой внутренней поверхности (сходящаяся-расширяющаяся трубка поглотителя), как показано на рис.12.

Такая конструкция увеличивает площадь поверхности теплопередачи и, кроме того, поток становится турбулентным, что приводит к более высоким коэффициентам теплопередачи (что приводит к увеличению эффективности коллектора на 4,55%).

Demagh et al. [124] численно исследовали использование S-образного / синусоидального поглотителя для PTC вместо обычной прямой поглотительной трубки вдоль оси поглотителя с помощью метода трассировки лучей Монте-Карло.Схема синусоидального поглотителя представлена ​​на рис. 13.

Авторы пришли к выводу, что предложенная конструкция предлагает более высокий коэффициент пересечения и лучшее распределение среднего потока по всей трубе поглотителя, а также некоторые ограничения, такие как уменьшенный градиент температуры и уменьшение максимумов теплового потока. Павлович и др. В [125] экспериментально разработана облегченная конструкция спирального поглотителя для точечно-фокусирующего солнечного параболоидного тарельчатого коллектора.Схема установки представлена ​​на рис. 14.

Экспериментальные результаты были подтверждены с помощью численной модели. Авторы утверждали, что этот точечный солнечный коллектор достиг теплового КПД около 34% при использовании воды в качестве теплоносителя. Этот вид компактных и недорогих солнечных коллекторов лучше всего подходит для применения в условиях высоких температур выше 100 ° C, таких как солнечные электростанции, солнечное отопление и охлаждение и т. Д.

Многие исследователи также работают над изменением геометрии поглотителя в других областях применения солнечной энергии, таких как солнечные установки (опреснение) и солнечное нагревание воздуха. Самуэль Хансен и др. [126] экспериментально проанализировали влияние использования поглотителей специальной конструкции (прикрепленных ребрами или с выгравированными канавками) на характеристики наклонного солнечного стенда. Эта гибридная система солнечного опреснения имеет три различные конфигурации: с плоскими, желобчатыми и ребристыми поглотителями соответственно.Был сделан вывод, что ребристый абсорбер дает на 25,7% больший выход дистиллята, чем у обычного плоского абсорбера. Аналогичным образом Велмуруган и др. [127] сравнили экспериментальные результаты солнечной батареи, все еще имеющей модернизированный бассейновый поглотитель с ребрами, с результатами обычного солнечного аппарата. Благодаря увеличенной площади экспонирования в случае поглотителя со встроенными ребрами, производительность солнечной перегонки увеличилась на 45,5%. Некоторые исследователи также пытались добиться более высоких характеристик солнечного дистиллятора, изменяя форму поглотителя.Arunkumar et al. [128] экспериментально исследовали конструкцию солнечного неподвижного элемента, имеющего полусферическую форму поглотителя с полусферическим концентратором. Авторы пришли к выводу, что чем больше площадь поверхности поглотителя, тем выше производительность. Принимая во внимание, что Ayoub et al. [129] осуществили модификацию конструкции обычного солнечного стенда с целью значительного повышения его производительности. Они установили частично погруженный в воду медленно вращающийся полый барабан внутри перегонного куба вместо обычного плоского поглотителя. Авторы утверждали, что такая модификация будет способствовать быстрому процессу испарения, поскольку тонкий слой соленой воды непрерывно образуется и испаряется на большой окружной площади барабана.Производительность солнечных воздухонагревателей также может быть улучшена с помощью аналогичных методов, таких как ребристые поверхности поглотителя [130–132], _, крылышки и волнистые канавки на поглотителе [133–135], ребра различной конструкции [68] и т. Д. Ключевым моментом для повышения производительности гелиоустановки и солнечных воздухонагревателей является увеличение коэффициента теплопередачи за счет турбулентного потока рабочей жидкости или увеличение площади воздействия.

Таким образом, изменения, внесенные в геометрию поглотителя, микроскопическую или макроскопическую, улучшили тепловые характеристики коллекторов.Это связано с сочетанием таких факторов, как увеличенная площадь поверхности поглотителя и более высокий коэффициент теплопередачи. Были рассмотрены различные типы форм: спиральные, S-образные, сходящиеся-расходящиеся и т. Д. Из обзора достижений в геометрии поглотителя было обнаружено, что эта область должна быть сосредоточена для проведения исследовательской работы в грядущее будущее. Кроме того, для дальнейшего улучшения характеристик солнечных тепловых коллекторов первостепенное значение имеет сокращение тепловых потерь.Остекление зарекомендовало себя как одно из самых заметных решений для значительного снижения тепловых потерь. Обсуждение последних достижений в области остекления солнечных коллекторов представлено в гл. 2.3.

Остекление в солнечном тепловом коллекторе и солнечных батареях помогает повысить общую эффективность системы. Первую роль остекления можно представить как прозрачную закрывающую пластину солнечного коллектора, благодаря которой абсорбер и фотоэлектрическая панель защищены от внешней атмосферы, включая пыль, влагу и т. Д.Когда солнечное излучение попадает на остекление, ослабление излучения происходит из-за трех различных процессов, а именно. поглощение, отражение и пропускание. Требуется высокое значение светопропускания остекления. Для максимального пропускания предпочтительно использовать просветляющие покрытия из прозрачного проводящего оксида (TCO). Шероховатость поверхности TCO может заставить ее работать как антибликовое покрытие. Другой альтернативой антиотражающим покрытиям, отличным от TCO, являются многослойные просветляющие (MAR) покрытия [136].В покрытиях MAR используется деструктивная интерференция света для предотвращения отражения. Интерференция определяется показателями преломления слоев, а также толщиной слоев. Одним из примеров, отвечающих всем требованиям к покрытиям MAR, является комбинация диоксида циркония (ZrO ₂ ) с высоким показателем преломления и диоксида кремния (SiO ₂ ) в качестве материала с низким показателем преломления. Кроме того, в случае STC конвективные и радиационные потери подавляются наличием остекления.В STC поглощение падающего излучения стеклом должно быть минимальным или незначительным в видимой и ближней инфракрасной (БИК) областях. Кроме того, это поглощение зависит от содержания железа (Fe ₂ O ₃ ) в стекле. Если содержание Fe ₂ O ₃ будет высоким, то стекло сможет поглощать больше в ИК-области солнечного спектра [56]. Кривая спектрального пропускания стекла толщиной 6 мм при разном содержании железа представлена ​​на рис.15.

Из рис. 15 ясно видно, что стекло с низким содержанием железа (жидкое белое стекло с 0,02% Fe ₂ O ₃ ) имеет отличное пропускание в видимой и ближней ИК области солнечного спектра. С другой стороны, стекло с высоким содержанием железа (0,50% Fe ₂ O ₃ ) имеет зеленоватый оттенок и имеет очень низкий коэффициент пропускания в ближней ИК-области солнечного спектра.

Идеальное солнцезащитное селективное стекло должно отвечать следующим требованиям: высокое значение коэффициента пропускания солнечного света, экономичность, долговременная химическая стабильность и способность удерживать тепло [74].Чтобы значительно снизить тепловые потери, способность улавливания тепла является обязательной, и это может быть достигнуто путем нанесения селективного покрытия на поверхность стекла, которое больше всего отражает в ИК-области спектра. Добавление антиотражающего (AR) покрытия на одной стороне остекления может снизить тепловые потери на отражение в четыре раза. Более того, нанесение просветляющего покрытия на обе стороны остекления может привести к снижению отражающих потерь в 8–9 раз по сравнению с остеклением без покрытия или без покрытия [56].Nostell et al. [137] описали и исследовали просветляющие покрытия для остекления солнечных коллекторов. Их AR-обработка остекления использует эффект интерференции, основанный на формализме Френеля, который может увеличить долю пропускания остекления. Обработка стекла AR может осуществляться тремя различными способами, а именно, нанесением покрытия погружением, травлением, а третий метод включает альтернативное выполнение первых двух методов. Для метода нанесения покрытия погружением самое низкое значение отражательной способности, зарегистрированное для лучшей пленки, равно 0.8%, тогда как коэффициент отражения солнечного света снизился с 8% до 2,8%. Покрытие, полученное методом окунания, столкнулось с недостатком плохой адгезии между подложкой и пленкой. Проблема плохой адгезии может быть решена путем термообработки, т. Е. Запекания пленки при температуре около 500–550 ° C в течение 30 мин. Благодаря такой термообработке увеличивается коэффициент отражения солнечного света, но улучшаются тепловые и механические свойства. Кроме того, Nostell et al. [138] исследовали оптические и механические свойства золь-гелевого просветляющего покрытия для применения в солнечной энергии с использованием модифицированного метода нанесения покрытия погружением.Полученное покрытие показывает более высокие значения пропускания, превышающие 96%, что более или менее удовлетворяет теоретическому пределу пропускания для однородных пленок. Обжиг пленки значительно улучшает механические свойства пленки, такие как адгезия, устойчивость к царапинам и т. Д.

Hody-Le Caër et al. [139] разработали и проанализировали материал покрытия для остекления солнечного коллектора, имеющий более низкий показатель преломления. Более низкий показатель преломления достигается за счет введения пустот или объединения двух разнородных оксидов металлов (образования кластеров).Тонкопленочные материалы с более низким показателем преломления допускают большую спектральную область антиотражения. Это требование может быть просто выполнено путем прямого использования материалов с гораздо более низкими показателями преломления, таких как диоксид кремния (SiO ₂ ) и фторид магния (MgF ₂ ) с показателями преломления 1,38 и 1,47 соответственно. Другой способ — объединить два разных материала с низким показателем преломления, чтобы создать новый материал с еще более низким показателем преломления, чем исходные материалы.Например, пленки Mg-F-Si-O имеют показатель преломления около 1,26 в диапазоне 300–900 нм, что значительно ниже, чем у SiO ₂ и MgF ₂ . В связи с разработкой такой новой комбинации, были начаты новые области исследований — многослойные просветляющие покрытия, окраска остекления и т. Д. Для дальнейших разработок.

Производительность солнечного коллектора также можно повысить, изменив количество остеклений.Многие исследователи изучали влияние остекления на солнечный коллектор. Юсеф-Али [140] исследовал и сравнил экспериментальные результаты для солнечных коллекторов как с двойным, так и с тройным остеклением. В данном исследовании в качестве прозрачного остекления использовались листы сотового поликарбоната с повышенной ударопрочностью. Системы с двойным остеклением имеют более высокий коэффициент пропускания солнечной энергии, чем системы с тройным остеклением; Таким образом, тепловые потери тепла в системах с двойным остеклением значительно выше, чем в системах с тройным остеклением.Таким образом, эффективный приток тепла поглотителем будет выше в системе с тройным остеклением.

Исследователи открыли новую область исследований в области окраски остекления для улучшения архитектурной интеграции солнечных коллекторов со зданиями. Schüler et al. [141] установили и исследовали цветное отражение от остекления, чтобы улучшить художественный вид солнечного коллектора с черным поглотителем.Мотивом этого исследования было сделать остекление коллектора более энергоэффективным за счет выполнения архитектурной интеграции с использованием уникальных методов окраски. Вся солнечная энергия должна передаваться через остекление, а не поглощаться; таким образом, лучше всего подходят многочисленные стопки тонких прозрачных материалов. В статье анализируются двух- и трехслойные системы остекления. Полученные результаты показывают, что более высокая отражательная способность синего и зеленого цветов на коротких волнах была достигнута в сочетании с хорошим пропусканием солнечного света.Дополнительный третий слой увеличивает цветное отражение. Для достижения значительных антибликовых свойств выгодно использовать материалы с более низкими показателями преломления. Позже Schüler et al. [142] экспериментально продемонстрировал уникальную технику окраски остекления, в которой SiO ₂ / Ti _{1 − x} Si _x O ₂ интерференционные стопки были нанесены методом золь-гель-покрытия погружением с альтернативными циклами отпуска. . Оксид кремния (SiO ₂ ) и Ti _0.5 Si _0,5 O ₂ были наиболее подходящими материалами из-за низкого и высокого показателей преломления соответственно, а также из-за конструкции тонкой пленки. Для упомянутого многослойного остекления был зарегистрирован импровизированный коэффициент пропускания (около 95%) вместе с ярким цветным отражением по сравнению с непокрытой подложкой, имеющей более низкий коэффициент пропускания (92%). Этот новый вид многослойного остекления открывает новые возможности для архитектурной интеграции солнечных тепловых коллекторов.

Giovannetti et al. [74] исследовали потенциал инновационной конструкции коллектора с остеклением, имеющим высокий коэффициент пропускания солнечного света и низкий коэффициент излучения. В нем используются подходящие активные материалы, такие как металлы (Ag, Au, Cu и т. Д.) Или оксиды металлов (оксид олова, оксид индия и т. Д.), Также известные как TCO. Металлические покрытия (в основном серебряные) имеют ограничение по чувствительности к коррозии, поэтому TCO больше подходят для этой цели.Прозрачные проводящие оксиды, такие как ITO, легированный оловом, обладают низким коэффициентом излучения и, таким образом, обеспечивают хорошую теплоизоляцию с эффективной химической инертностью. Но из-за его отсутствия обычно предпочтительнее покрытие из оксида цинка, легированного алюминием. Анализ этих застекленных коллекторов показывает, что улучшенные характеристики солнечных коллекторов при высоких температурах могут быть достигнуты с использованием этих остеклений с покрытием TCO с низким уровнем выбросов, что снижает общие тепловые потери. Кроме того, Ghosh et al. [143] выявили возможность использования другого покрытия из оксида индия, легированного сурьмой (TCO), в качестве потенциального применения в области солнечных тепловых устройств.Это была импровизация по поводу эвакуированной солнечной плиты на основе остекления без покрытия. При сравнении одинарного стекла с покрытием IAO и двойного стекла без покрытия было обнаружено, что использование этого TCO приводит к значительному снижению тепловых потерь. Остекление с покрытием из оксида индия, легированного сурьмой (IAO), имеет лучшие тепловые характеристики с дополнительными преимуществами, такими как легкая конструкция, простота изготовления (по сравнению с вакуумированными устройствами), простота обращения и лучшая стойкость к тепловому удару.

Из закона Стефана – Больцмана можно заключить, что эмиссионные потери прямо пропорциональны четвертой степени температуры; таким образом, с повышением температуры солнечного коллектора тепловое излучение поглотителя становится значительно выше.Фан и Бахнер [72] исследовали возможность и эффект использования пленок для остекления, которые пропускают солнечное излучение, но также отражают ИК-излучение, широко известных как прозрачные пленки с тепловым зеркалом. Из-за их высокой ИК-отражательной способности теплоизолирующие свойства тепловых зеркал эквивалентны нескольким дюймам асбеста (или любого другого обычного изолятора). Эти пленки с тепловым зеркалом наносятся на систему остекления и могут использоваться как многообещающий способ снижения потерь излучения. Существует ряд материалов, которые можно рассматривать как пленки с тепловым зеркалом — Au, Ag, Cu и т. Д.среди которых наибольший потенциал имеет Ag. Некоторые исследователи все еще пытаются разработать новые материалы, характеристики которых близки к идеальным тепловым зеркалам. Khullar et al. [73] проанализировали комбинацию двух различных геометрических форм металлических наночастиц и прозрачных тепловых зеркал. Для увеличения коэффициента отражения в ИК-диапазоне были выделены две основные переменные, а именно концентрация свободного заряда (электронов / дырок) и толщина пленки. На основании результатов они пришли к выводу, что низкий коэффициент теплового излучения в средней ИК-области спектра может быть обеспечен с помощью дисперсии наночастиц (в HTF) с помощью тепловых зеркал на основе полупроводников.Предлагаемая конструкция солнечного селективного объемного приемника дает на 6–7% более высокий тепловой КПД по сравнению с обычными коллекторами на основе поверхностного поглощения.

Этот подраздел (по остеклению) можно резюмировать, рассматривая различные методы, которые удовлетворяют всем требованиям эффективного остекления солнечных коллекторов. Использование остекления с покрытием TCO снижает эмиссионные потери и, таким образом, улучшает тепловые характеристики солнечного коллектора.Остекление, покрытое пленками тепловых зеркал, удовлетворяет требованиям к высокому пропусканию солнечного света и незначительному пропусканию ИК-излучения, благодаря чему снижаются потери на тепловое излучение [144]. Кроме того, производительность солнечного теплового коллектора может быть улучшена за счет улучшения тепловых свойств рабочей жидкости, которая может быть идентифицирована как еще один важный компонент системы солнечного теплового коллектора. Увеличение теплопроводности рабочего тела за счет наноразмерных металлических частиц приведет к лучшему переносу тепла, и его обсуждение представлено в гл.2.4.

Общая эффективность устройств солнечной энергии также может быть повышена за счет увеличения коэффициента теплопередачи жидкости, а также за счет улучшения оптических свойств системы (высокая поглощающая способность и низкие выбросы). Добавление наночастиц в базовую жидкость при малых объемных долях (около 0,05%) не улучшит тепловые свойства (теплопроводность, удельную теплоемкость и т. Д.).) наножидкости значительно по сравнению с базовой жидкостью [145–147]. Таким образом, вместо этого основное внимание уделяется изменению оптических свойств из-за добавления наночастиц. В случае фотоэлектрических систем наножидкости помогают повысить эффективность системы за счет рассеивания выделяемого тепла. Наножидкость будет действовать как оптический фильтр, который «предварительно охлаждает» солнечные фотоэлектрические элементы путем избирательного поглощения, а также путем конвективного охлаждения. В этих системах жидкости не обязательно должны быть на водной основе (хотя водородные связи хороши для стабильности, но органическую жидкость можно легко использовать).Подходящим примером такой органической жидкости является Therminol ^® VP-I в качестве базовой жидкости [6,148]. Наножидкости также используются в качестве селективного фильтра для предварительной фильтрации длин волн, которые бесполезны для фотоэлемента (поскольку фотоэлектрический фильтр хорошо работает для выбранного диапазона длин волн).

Кроме того, в случае солнечных тепловых коллекторов применение наножидкостей приводит к увеличению теплопередачи и поглощения солнечного тепла, что приведет к повышению общей эффективности солнечной электростанции [149].Наножидкости обладают многочисленными преимуществами: они могут быть оптически селективными (высокое поглощение солнечного света и низкий коэффициент теплового излучения) и проявлять повышенную эффективность поглощения благодаря настраиваемой форме и размеру наночастиц (НЧ), соответствующих области применения [149, 150]. Количество наночастиц, присутствующих в наножидкости, обычно количественно определяется параметром, называемым объемной долей. Значение объемной доли играет очень важную роль. Если объемная доля наночастиц очень высока, это может привести к максимальному поглощению солнечного излучения в тонком верхнем слое наножидкости, тогда как при более низких объемных долях большая часть излучения может проходить через жидкость, не поглощаясь.Оба эти случая приводят к потере значительной части поглощенной тепловой энергии в окружающую среду [147,149]. За счет использования оптимального значения объемной доли наночастиц сообщается об улучшении общей эффективности солнечных электростанций до 10%, и, таким образом, можно ожидать, что стоимость производства электроэнергии соответственно снизится [147,151]. Однако использование наножидкостей сопряжено с некоторыми трудностями, которые необходимо решить, а именно с агломерацией и нестабильностью, высокой мощностью откачки, необходимой из-за повышенной вязкости, сложными производственными процессами, высокими капитальными затратами и т. Д.[57].

В высокотемпературных приложениях (например, в солнечной башне) обычно используется HTF с расплавом солей из-за особых требований к стабилизированным теплофизическим свойствам при повышенных температурах. Чтобы улучшить теплофизические свойства HTF с расплавом солей, Zhang et al. В работе [152] была предпринята попытка улучшить термические свойства карбонатной тройной фазы с использованием фторида лития (LiF) с использованием метода статической плавки.Кроме того, Zhang et al. [153] подготовили и провели улучшение тепловых свойств расплавов солей путем добавления наночастиц Al ₂ O ₃ НЧ трех различных размеров, а именно 20 нм, 50 нм и 80 нм. Этот тип наножидкости может быть потенциально привлекательным кандидатом для высокотемпературных CSP и аккумуляторов тепловой энергии. Кроме того, новый способ использования наножидкостей в солнечных коллекторах основан на принципе прямого поглощения солнечной энергии.

Как следует из названия, солнечные коллекторы прямого поглощения (DASC) предназначены для поглощения солнечного света непосредственно теплоносителем.Этот вид объемного солнечного теплового коллектора оказался более эффективным, чем обычные солнечные коллекторы из-за более высокого поглощения и более низкого коэффициента отражения [154,155]. DASC исключает промежуточный этап теплопередачи в обычных солнечных коллекторах, такой как сначала поглощение солнечного света поверхностью поглотителя, а затем передача этой энергии на HTF. Кроме того, в механизме теплопередачи в поверхностном солнечном коллекторе больше задействована теплопроводность, что делает процесс теплопередачи неэффективным из-за низкой теплопроводности HTF [156].В целом, наблюдается, что поверхностные солнечные коллекторы имеют более низкий КПД по сравнению с DASC [157,158]. Это можно увидеть из следующих статей, посвященных DASC на основе наножидкостей.

Phelan et al. [55] классифицировал DASC на основе его рабочей температуры, а именно: низкая температура (<250 ° C), средняя температура (250–500 ° C) и высокая температура (> 500 ° C). Тяги и др. [159] теоретически исследовали низкотемпературный неконцентрирующий DASC со смесью наночастиц алюминия и воды, который позже сравнивали с типичным коллектором с плоской пластиной.Теоретически DASC на основе наножидкости имеет на 10% более высокую абсолютную эффективность по сравнению с обычным пластинчатым коллектором, в котором в качестве HTF используется чистая вода. Кроме того, Milanese et al. [160] исследовали оптические свойства ряда наножидкостей, состоящих из различных наночастиц оксидов металлов, содержащих воду в качестве базовой жидкости, с вариациями в ее объемной доле НЧ. Среди различных НЧ TiO оказался лучшим НЧ, поскольку он может полностью поглощать солнечное излучение на глубине 1 см.

Многие исследователи также работали в области высокотемпературных (> 500 ° C) DASC, чтобы улучшить характеристики солнечных коллекторов, чередуя свойства HTF с оптимизированной объемной долей наиболее подходящих наночастиц. Lenert et al. [146] экспериментально проанализировали влияние изменения оптической толщины на теплофизические свойства наножидкости (состоящей из смеси наночастиц с углеродным покрытием размером 28 нм и Therminol ^® VP-1 в качестве базовой жидкости).Кроме того, Khullar et al. [161] проанализировали тепловые аспекты концентрирующего коллектора на основе наножидкостей с параболическими отражателями, сфокусированными на желобе из прозрачной стеклянной трубы, через которую протекает наножидкость (прямое поглощение). Был сделан вывод, что предложенная идея показывает увеличение эффективности на 5–10% по сравнению с обычным параболическим солнечным коллектором, поэтому он может более эффективно поглощать солнечное тепловое излучение. Аналогичным образом Taylor et al. [149] также провели сравнительное исследование характеристик DASC с высокой магнитной индукцией на основе наножидкостей и обычного солнечного коллектора аналогичной конструкции.Из-за очень высокого пика поглощения, который точно соответствует солнечному спектру излучения, для этого исследования были выбраны наночастицы серебра. Анализ показал, что эффективность указанного солнечного коллектора увеличилась примерно на 10%. Кроме того, Milanese et al. [162] исследовали оптические свойства наножидкостей на водной основе для высокотемпературных применений CSP. Было обнаружено, что три наночастицы оксида металла не подвержены влиянию более высоких рабочих температур, и, таким образом, эти наночастицы лучше всего подходят для установок CSP.

Исследователи постоянно ищут новые и эффективные НП для оптимизации систем DASC. Otanicar et al. [155] экспериментировали с DASC, используя различные наночастицы, такие как графит (сферические), углеродные нанотрубки и серебро (сферические) в различных концентрациях или размерах наночастиц. Многочисленные исследователи, в том числе Muraleedharan et al. [163] с наночастицами Al ₂ O ₃ и Therminol ^® 55, и Bhalla et al.[157,164] с оксидом кобальта, а также наночастицами оксида алюминия уже заявили о повышенном тепловом КПД DASC. Кроме того, Khullar et al. [89] предприняли экспериментальную попытку идентифицировать перспективные HTF вместе с наиболее подходящими NP, которые могут быть использованы для практических приложений в солнечной тепловой энергии. На основании результатов оптических и термических характеристик был сделан вывод, что наножидкости на основе аморфного углерода имеют большое значение для применения в солнечной тепловой энергии, поскольку они обладают очень высоким поглощением солнечного излучения при низкой объемной доле наночастиц.

Концепция прямого поглощения света может стать прорывом, если ее тщательно внедрить в различные солнечные тепловые системы. Phelan et al. [55] предложили несколько новых идей, касающихся того же самого, которые включают химические реакции с участием солнечной энергии, очистку сточных вод, использование бинарных жидкостей для охлаждения с использованием солнечной абсорбции и т. Д. Исследователи работают над интеграцией прямого поглощения света в различные области. кроме солнечного нагрева воды, например, производство пара [154,165] и опреснение [166].

Таким образом, в нескольких исследованиях было замечено, что использование наночастиц подходящего размера, материала и объемной доли может привести к повышению общей производительности солнечных коллекторов. Более того, в зависимости от температурного диапазона применения такие факторы, как размер наночастиц, объемная доля / концентрация и материал наночастиц, требуют детальной оптимизации для достижения максимальной эффективности работы.С другой стороны, для увеличения мощности солнечных приемников (фотоэлектрических и тепловых) очень важны устройства слежения за солнечным светом для увеличения сбора солнечной энергии для приемников. За последние два десятилетия исследователи пытались сделать эти технологии слежения за солнцем более экономичными и надежными. В гл. В разделе 2.5 кратко обсуждаются некоторые из последних достижений в области систем слежения за Солнцем.

Хотя они существуют уже некоторое время, исследования по модификации обычных солнечных тепловых коллекторов для повышения их производительности продолжаются.Таким образом, целью этого последнего подраздела является представление последних достижений в одной из самых выдающихся солнечных технологий, а именно, ETC.

Согласно наблюдениям исследователей, работающих над солнечными тепловыми коллекторами [1,60], по сравнению с плоскими пластинчатыми коллекторами ETC имеет более высокий КПД. ETC состоят из двух коаксиальных и концентрических труб разного диаметра; внутренний — из металла или стекла, покрытого солнцезащитным покрытием, а наружный — из стекла.Между этими двумя условиями внутри кольцевого пространства создается и поддерживается вакуум. Благодаря своей уникальной конструкции, ETC имеет два основных преимущества по сравнению с плоскими пластинчатыми коллекторами, а именно: вакуумное пространство устраняет конвективные потери от поглотителя (внутренней трубы), а его трубчатая конструкция исключает необходимость отслеживания солнца, в отличие от плоских пластинчатых коллекторов. Некоторые исследователи также сообщают, что обслуживание ETC легко и недорого [1,182].

В последнее десятилетие исследователи приложили значительные усилия для улучшения тепловых характеристик ETC путем объединения различных устройств [183–185], изменения его применимости [186,187] и т. Д.Bataineh и AL-Karasneh [187] изучили и исследовали производительность системы численно для прямого производства пара в ETC. ETC также можно комбинировать с тепловыми трубками для достижения более высокого теплового КПД [183] ​​и эффективного использования в таких приложениях, как опреснение [188]. В дополнение к этому, интеграция аккумулирования скрытой теплоты с использованием материалов с фазовым переходом (PCM) с ETC дала лучшие результаты в последние годы [184,189]. Пападимитратос и др. [189] провели несколько экспериментов с интегрированными ПКМ с ЭТЦ для нагрева воды на солнечной энергии.Тепловая трубка, погруженная в PCM, позволяет аккумулировать скрытое тепло для эффективного хранения энергии. Это исследование показало, что система повысила эффективность на 26% по сравнению с традиционной системой без PCM. Точно так же Фелински и Секрет [190] использовали парафин в качестве ПКМ внутри ETC с целью экспериментов. Кроме того, Abokersh et al. [191] экспериментально проанализировали интегрированный ETC с парафином, используемым в качестве ПКМ в солнечном водонагревателе, сравнивая две различные конструкции, а именно, с ребрами и без ребер.Кроме того, Sobhansarbandi et al. [192] предложили вакуумный трубчатый солнечный коллектор, в котором используется концепция листов углеродных нанотрубок в качестве многофункциональных абсорбирующих слоев с теплоаккумулятором с использованием парафина в качестве ПКМ.

Вакуумные трубчатые солнечные коллекторы с различными модификациями, упомянутыми выше, эффективно используются в различных приложениях, таких как опреснение [186,188,193,194], солнечные скороварки [195], сушилки с химическими тепловыми насосами на солнечной энергии [196] и т. Д.

Исследования таких компонентов, как остекление, геометрия поглотителя и солнечные селективные покрытия, будут иметь значение в будущем, а также для общего повышения эффективности солнечных приемников (как фотоэлектрических, так и солнечных тепловых коллекторов). Эффективность солнечной фотоэлектрической энергии по-прежнему будет ограничиваться несколькими факторами. Существенным среди них является влияние температуры подложки на эффективность фотоэлементов.Это требует усилий по отводу тепла от ячеек (особенно для CPV), аналогично тому, как это делается в настоящее время в электронной упаковке. Ожидается, что будут продолжены усилия по улучшению характеристик оптических фильтров, которые могли бы отражать / передавать излучение с желаемой длиной волны на поверхность фотоэлектрического элемента, отклоняя при этом оставшийся спектр (предпочтительно в жидкий теплоноситель, который может позволить выгодное использование этой тепловой энергии. для других целей). Кроме того, будут продолжены усилия по разработке более совершенных фотоэлектрических систем, в которых жидкость соприкасается с горячей фотоэлектрической подложкой, а затем отводит тепло от нее.

Точно так же ожидается, что большое внимание должно быть уделено неизбежным улучшениям в производительности солнечных тепловых систем. Чтобы улучшить характеристики солнечного теплового коллектора, крайне важно повысить солнечную селективность поглотителей. Солнечную селективность можно улучшить, используя новые солнечные селективные покрытия, которые обеспечивают более высокую поглощающую способность и более низкую тепловую излучательную способность.Другими словами, поверхность, поглощающая солнечное излучение, должна иметь более низкое значение коэффициента отражения в диапазоне солнечного спектра и более высокое значение коэффициента отражения в диапазоне ИК-спектра. Большинство исследований абсорбирующих покрытий сосредоточено на достижении этого результата. Есть несколько способов, которыми исследователи достигли этого, например, добавление дополнительного слоя вольфрама на поверхность подложки, который будет действовать как ИК-отражатель, таким образом, контролирующий фактор для теплового излучения [110], или использование специально подручных материалов с улучшенными оптическими свойствами. .Покрытия DMD могут рассматриваться как потенциальный кандидат для дальнейших исследований с целью улучшения его поглощения солнечного излучения и термической стабильности, чтобы добиться коммерческого успеха [78]. Покрытия DMD обеспечивают повышенное оптическое поглощение и упрощают производственные технологии, что делает их потенциально экономически жизнеспособными. Точно так же из-за многообещающих свойств, таких как сильное поглощение в видимой области, которое возникает из-за явления поверхностного плазмонного резонанса, также известного как эффект квантового ограничения, нанокерметы становятся более подходящими кандидатами для поглощения солнечной энергии.Pt-Al ₂ O ₃ Двойное керметное покрытие с использованием металлического молибдена в качестве ИК-отражателя могло бы стать важным примером потенциально наиболее подходящих покрытий на основе кермета, которые демонстрируют улучшенные оптические свойства, а именно, коэффициент поглощения солнечного излучения 0,97 и термический эмиттанс 0,05 [80]. Еще одна выдающаяся попытка создания нового покрытия на основе двух различных типов покрытий, например, текстурированных поверхностей и металлокерамических композитов, была предпринята в виде совместных наноцилиндров — покрытия из керметов Al ₂ O ₃ [87].Этот тип гибридного покрытия обеспечивает коэффициент поглощения 0,98 и коэффициент излучения 0,03, что превосходит обычные поверхностные поглотители на основе со-основе.

Помимо оптических свойств, еще одним важным требованием к абсорбирующему покрытию является сохранение термической стабильности в течение более длительного времени при более высоких рабочих температурах. Из-за концентрированного солнечного излучения тепло накапливается на промежуточных контактных поверхностях; металлическая подложка окисляется и таким образом диффундирует в слой покрытия при более высокой температуре.Этот эффект разрушения покрытия можно уменьшить, создав диффузионный барьер на поверхности подложки, обладающий такими свойствами, как более высокая температура плавления, хорошая адгезия и более низкая реакционная способность по отношению к материалу подложки. Тантал зарекомендовал себя как диффузионный барьер, повышающий термическую стабильность в воздухе как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе [108]. Добавление дополнительного слоя антибликового материала снизит отражательную способность, а также предотвратит окисление в окружающую среду от самого верхнего слоя покрытия.Кроме того, для повышения термической стабильности покрытий на основе керметов на воздухе были проведены исследования с целью разработки высокотемпературных солнечных селективных покрытий на основе нитридов / оксинитридов / оксидов переходных металлов и силицидов [94]. Использование легированных слоев покрытия с легирующими материалами, такими как кремний, алюминий или хром, значительно улучшит термическую стабильность покрытия. Согласно литературным данным, кремний оказался наиболее подходящим легирующим материалом среди трех упомянутых материалов [118] благодаря лучшим оптическим свойствам, повышенной стойкости к окислению и улучшенной структурной стабильности.Исследователи должны сосредоточиться на аналогичных новых способах, которые увеличат термическую стабильность абсорбирующих покрытий, используемых для концентрированных солнечных коллекторов.

Комбинация этих различных способов повышения эффективности селективных покрытий может быть оптимальным способом создания селективных покрытий. Кроме того, методы производства должны быть улучшены для получения недорогих высококачественных селективных покрытий, которые могут быть реализованы в массовом масштабе.

В последние годы разработки геометрии поглотителей доказали, что это может быть следующая наиболее многообещающая область исследований после солнечных селективных покрытий. Исследователи должны сосредоточиться на различных методах увеличения площади поверхности поглотителя за счет изменения шероховатости поверхности или добавления ребер, использования различных форм трубы поглотителя и т. Д. Интеграция препятствий на пути потока внутри поглотителя обеспечивает большую теплопередачу из-за эффектов турбулентного перемешивания.

% PDF-1.4 % 1 0 obj> / ColorSpace> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] / ExtGState >>> / Type / Page >> эндобдж 4 0 obj> / ColorSpace> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageI] / Properties> / ExtGState >>> / Type / Page >> эндобдж 7 0 obj> поток application / postscriptAdobe Illustrator CS22006-10-11T15: 46: 37-04: 002006-10-11T15: 53: 22-04: 002006-10-11T15: 53: 22-04: 00

Урок 2: Основы солнечной горячей воды

Обзор

В этом уроке вы узнаете об использовании солнца для получения тепла.В этой части курса мы уделим особое внимание нагреву горячей воды для дома.

В солнечной водонагревательной системе сбор тепла является основной целью наряду с отводом тепла от собирающей поверхности, передачей его в накопитель и, в конечном итоге, использованием его для нагрева горячей воды для бытового потребления.

Большинство солнечных водонагревательных систем для зданий состоит из двух основных частей: солнечного коллектора и накопительного бака . Самый распространенный коллектор называется коллектор с плоской пластиной . Установленный на крыше, он представляет собой тонкую плоскую прямоугольную коробку с прозрачной крышкой, обращенной к солнцу. Маленькие трубки проходят через коробку и несут жидкость — воду или другую жидкость, такую ​​как раствор антифриза, — для нагрева.Трубки прикреплены к пластине абсорбера , которая окрашена в черный цвет для поглощения тепла. По мере того, как в коллекторе накапливается тепло, он нагревает жидкость, проходящую по трубкам. Ниже описаны различные типы солнечных коллекторов.

В накопительном баке находится горячая жидкость. Это может быть просто модифицированный водонагреватель, но обычно он больше по размеру и очень хорошо изолирован. Системы, в которых используются жидкости, отличные от воды (обычно смесь пропиленгликоля), нагревают воду, пропуская ее через теплообменник, который передает тепло от смеси гликоля к нагреваемой воде.

Солнечные водонагревательные системы могут быть активными или пассивными . Наиболее распространены активные системы, в которых для перемещения жидкости между коллектором и резервуаром для хранения используются насосы. С другой стороны, пассивные системы полагаются на силу тяжести и склонность воды к естественной циркуляции при нагревании.

В жилых и коммерческих зданиях, где требуется температура ниже 200F, обычно используются плоские коллекторы, тогда как в тех, где требуется температура выше 200F, используются вакуумные трубчатые коллекторы.

В начало

Типы солнечных водонагревательных систем

Активные солнечные водонагреватели используют электрические насосы, клапаны и контроллеры для циркуляции воды или других теплоносителей (обычно смеси пропиленгликоля) через коллекторы. Существуют три типа активных солнечных водонагревательных систем:

1. В системах с прямой циркуляцией (или открытых системах ) используются насосы для циркуляции воды через коллекторы.Эти системы подходят для мест, которые не замерзают в течение длительного времени и не имеют жесткой или кислой воды. Эти системы не одобрены Solar Rating & Certification Corporation (SRCC), если в них используется рециркуляционная защита от замерзания (циркуляция теплой воды в резервуаре в условиях замерзания), потому что для эффективной защиты требуется электроэнергия.

2. Системы с косвенной циркуляцией (или закрытые системы ) перекачивают теплоносители, такие как смесь гликоля и водяного антифриза, через коллекторы.Теплообменники передают тепло от жидкости питьевой воде, хранящейся в резервуарах. Некоторые непрямые системы имеют защиту от перегрева, которая защищает коллектор и гликолевую жидкость от перегрева при низкой нагрузке и высокой интенсивности поступающего солнечного излучения.

3. Дренажные системы , тип косвенной системы, используют насосы для циркуляции воды через коллекторы. При остановке насосов вода из коллекторного контура сливается в резервуар-накопитель.Это делает дренажные системы хорошим выбором в более холодном климате. Дренажные системы должны быть тщательно установлены, чтобы гарантировать, что трубопровод всегда наклонен вниз, чтобы вода полностью стекала из трубопровода. В некоторых обстоятельствах этого может быть сложно.

Пассивные солнечные водонагревательные системы обычно дешевле активных систем, но обычно не так эффективны.Пассивные солнечные водонагреватели полагаются на силу тяжести и склонность воды к естественной циркуляции при нагревании. Поскольку они не содержат электрических компонентов, пассивные системы, как правило, более надежны, проще в обслуживании и, возможно, имеют более длительный срок службы, чем активные системы.

1. Системы хранения со встроенным коллектором состоят из одного или нескольких резервуаров для хранения, помещенных в изолированную коробку с застекленной стороной, обращенной к солнцу. Зимой их необходимо осушить или защитить от замерзания.Эти солнечные коллекторы лучше всего подходят для областей, где температура редко опускается ниже нуля. Они также хороши в домохозяйствах со значительными дневными и вечерними потребностями в горячей воде; но они плохо работают в семьях с преимущественно утренними розыгрышами, потому что они теряют большую часть собранной энергии за ночь.

2. Системы Thermosyphon — это экономичный и надежный выбор, особенно в новых домах. Эти системы основаны на естественной конвекции теплой воды, поднимающейся вверх, для циркуляции воды через коллекторы и в резервуар (расположенный над коллектором).Когда вода в солнечном коллекторе нагревается, она становится светлее и естественным образом поднимается в резервуар наверху. Тем временем более холодная вода стекает по трубам к нижней части коллектора, улучшая циркуляцию. Некоторые производители размещают накопительный бак на чердаке дома, скрывая его от глаз. Непрямые термосифоны (которые используют гликолевую жидкость в коллекторном контуре) могут быть установлены в климатических условиях, склонных к замерзанию, если трубопровод в некондиционном пространстве должным образом защищен.

Солнечные водонагревательные системы почти всегда нуждаются в резервной системе в пасмурные дни и в периоды повышенного спроса.Обычные накопительные водонагреватели обычно обеспечивают резервное копирование и могут уже быть частью солнечной системы. Резервная система также может быть частью солнечного коллектора, например, резервуары на крыше с термосифонными системами. Поскольку накопительная система со встроенным коллектором уже накапливает горячую воду в дополнение к солнечному теплу, она может быть укомплектована водонагревателем по запросу (без резервуара или проточным) для резервного копирования

В начало

Компоненты солнечной водонагревательной системы

2.Коллекторы вакуумные

Коллекторы с вакуумной трубой могут достигать чрезвычайно высоких температур (от 170F до 350F), что делает их более подходящими для коммерческого и промышленного применения. Однако коллекторы с вакуумированными трубками дороже, чем коллекторы с плоскими пластинами, при этом стоимость единицы площади примерно в два раза выше, чем у коллекторов с плоскими пластинами.(см. рисунок 2)

Коллекторы обычно состоят из параллельных рядов прозрачных стеклянных трубок. Каждая трубка содержит стеклянную внешнюю трубку и металлическую трубку-поглотитель, прикрепленную к ребру. Ребро покрыто покрытием, которое хорошо поглощает солнечную энергию, но препятствует радиационным потерям тепла. Воздух удаляется или откачивается из пространства между стеклянными и металлическими трубками для создания вакуума, который устраняет кондуктивные и конвективные потери тепла.

Новая конструкция с вакуумными трубками доступна от китайских производителей, Beijing Sunda Solar Energy Technology Co.Ltd. Конструкция «Дьюара» представляет собой вакуум, содержащийся между двумя концентрическими стеклянными трубками, с избирательным покрытием абсорбера на внутренней трубке. Обычно воде позволяют термосифонировать вниз и обратно во внутреннюю полость, чтобы передать тепло резервуару для хранения. Нет никаких межмолекулярных уплотнений. Этот тип вакуумной трубки может стать конкурентоспособным по стоимости по сравнению с плоскими пластинами.

3. Интегральные коллекторно-накопительные системы

Интегральные коллекторно-накопительные системы (ICS), также известные как системы периодического действия, состоят из одного или нескольких пустых резервуаров или трубок в изолированном застекленном ящике.Холодная вода сначала проходит через солнечный коллектор, который предварительно нагревает воду, а затем попадает в обычный резервный водонагреватель.

ICS — это простые и надежные солнечные водонагреватели. Однако их следует устанавливать только в климате с умеренным морозом, потому что сам коллектор или наружные трубы могут замерзнуть в очень холодную погоду. Некоторые недавние исследования показывают, что проблему замерзания труб в некоторых случаях можно решить, используя устойчивые к замерзанию трубопроводы в сочетании с методом защиты от замерзания.

Компоненты: Теплообменник
В солнечных водонагревательных системах используются теплообменники для передачи солнечной энергии, поглощенной в солнечных коллекторах, жидкости или воздуху, используемым для нагрева воды или помещения.

Теплообменники могут быть изготовлены из стали, меди, бронзы, нержавеющей стали, алюминия или чугуна. В системах солнечного отопления обычно используется медь, поскольку она является хорошим проводником тепла и обладает большей устойчивостью к коррозии.

Солнечные водонагревательные системы используют два типа теплообменников:

1.Теплообменники жидкость-жидкость

Теплообменники жидкость-жидкость используют теплоноситель, который циркулирует через солнечный коллектор, поглощает тепло, а затем проходит через теплообменник для передачи тепла воде в резервуар для хранения. Жидкие теплоносители, такие как антифриз, защищают солнечный коллектор от замерзания в холодную погоду. Жидкостные теплообменники имеют один или два барьера (одинарные или двойные стенки) между теплоносителем и водопроводом.

Одностенный теплообменник представляет собой трубу или трубку, окруженную жидкостью. Либо жидкость, проходящая по трубке, либо жидкость, окружающая трубки, может быть теплоносителем, а другая жидкость — питьевой водой. Теплообменники с двойными стенками имеют две стенки между двумя жидкостями. Две стенки часто используются, когда теплоноситель токсичен, например, этиленгликоль. Двойные стенки часто требуются в качестве меры безопасности в случае утечек, чтобы гарантировать, что антифриз не смешается с питьевой водой.Примером двустенного теплообменника жидкость-жидкость является «кольцевой теплообменник», в котором трубка обернута вокруг бака с горячей водой и прикреплена к внешней стороне. Трубка должна быть должным образом изолирована, чтобы уменьшить тепловые потери. В некоторых местных нормах и правилах требуются двустенные теплообменники в солнечных водонагревательных системах.

Хотя двустенные теплообменники повышают безопасность, они менее эффективны, поскольку тепло должно передаваться через две поверхности, а не через одну. Для передачи такого же количества тепла теплообменник с двойными стенками должен быть больше, чем теплообменник с одинарными стенками.

2. Воздухо-жидкостные теплообменники

Солнечные системы отопления с воздухонагревательными коллекторами обычно не нуждаются в теплообменнике между солнечным коллектором и системой распределения воздуха. Некоторые солнечные системы воздушного отопления предназначены для нагрева воды, если удовлетворяются требования к обогреву помещения. В этих системах используются теплообменники типа «воздух-жидкость», которые аналогичны теплообменникам «жидкость-воздух».

Конструкции теплообменников
Существует множество конструкций теплообменников.Вот несколько распространенных:

1. Змеевик в баке

Теплообменник представляет собой змеевик в накопительном баке. Это может быть одинарная трубка (одностенный теплообменник) или толщина двух трубок (двустенный теплообменник). Менее эффективной альтернативой является размещение змеевика снаружи резервуара коллектора с изоляционным покрытием.

3. Трубчатый теплообменник

В этой очень эффективной конструкции трубы для воды и теплоносителя находятся в прямом тепловом контакте друг с другом. Вода и теплоноситель текут в противоположных направлениях. Этот тип теплообменника имеет две петли, аналогичные описанным в кожухотрубном теплообменнике.

В начало

Калибр

Чтобы теплообменник был эффективным, он должен иметь правильный размер.При выборе правильного размера необходимо учитывать множество факторов, в том числе следующие:

• Тип теплообменника
• Характеристики жидкого теплоносителя (удельная теплоемкость, вязкость и плотность)
• Расход
• Температура на входе и выходе для каждой жидкости.

Обычно производители предоставляют показатели теплопередачи для своих теплообменников (в британских тепловых единицах в час) для различных температур жидкости и расхода. Кроме того, размер поверхности теплообменника влияет на его скорость и эффективность: большая площадь поверхности передает тепло быстрее и эффективнее.

Установка

Для обеспечения наилучшей производительности всегда соблюдайте рекомендации производителя по установке теплообменника. Обязательно выберите жидкий теплоноситель, совместимый с типом теплообменника, который вы будете использовать. Если вы хотите построить свой собственный теплообменник, имейте в виду, что использование различных металлов в конструкции теплообменника может вызвать коррозию. Кроме того, поскольку разнородные металлы имеют разные характеристики теплового расширения и сжатия, могут возникнуть утечки или трещины.Любое из этих условий может сократить срок службы теплообменника.

Компоненты: теплоносители

Жидкие теплоносители переносят тепло через солнечные коллекторы и теплообменник в резервуары для хранения тепла в солнечных водонагревательных системах. При выборе теплоносителя следует учитывать следующие критерии:

• Коэффициент расширения: относительное изменение длины (или иногда объема, если указано) материала за единицу изменения температуры
• Вязкость сопротивления жидкости сдвиговым силам (и, следовательно, течению)
• Теплоемкость: способность вещества накапливать тепло
• Точка замерзания температура, ниже которой жидкость превращается в твердое вещество
• Точка кипения температура, при которой жидкость кипит
• Точка вспышки: самая низкая температура, при которой пар над жидкостью может воспламениться на воздухе.

Например, в холодном климате для солнечных водонагревательных систем требуются жидкости с низкой температурой замерзания. Жидкости, подвергающиеся воздействию высоких температур, например, в пустынном климате, должны иметь высокую температуру кипения. Вязкость и теплоемкость определяют количество необходимой энергии перекачивания. Жидкость с низкой вязкостью и высокой удельной теплоемкостью перекачивать легче, поскольку она менее устойчива к течению и передает больше тепла. Другими свойствами, которые помогают определить эффективность жидкости, являются ее коррозионная активность и стабильность

Типы жидкостей-теплоносителей
Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых жидкостей-теплоносителей и их свойства:

Воздух
Воздух не замерзает и не закипает, не вызывает коррозии.Однако он имеет очень низкую теплоемкость и имеет тенденцию вытекать из коллекторов, воздуховодов и заслонок.

Вода
Вода нетоксична и недорогая. Благодаря высокой удельной теплоемкости и очень низкой вязкости его легко перекачивать. К сожалению, вода имеет относительно низкую температуру кипения и высокую температуру замерзания. Он также может вызывать коррозию, если pH (уровень кислотности / щелочности) не поддерживается на нейтральном уровне. Вода с высоким содержанием минералов (т. Е. «Жесткая» вода) может вызывать образование минеральных отложений в трубах коллектора и водопроводах системы.

Смеси гликоль / вода
Наиболее распространенной жидкостью, используемой в закрытых солнечных водонагревательных системах, является пропиленгликоль. Смеси гликоль / вода имеют соотношение гликоль-вода 50/50 или 60/40. Этилен и пропиленгликоль — «антифризы». Этиленгликоль чрезвычайно токсичен и должен использоваться только в двустенных замкнутых системах. Вы можете использовать смеси пропиленгликоля и воды пищевого качества в одностенных теплообменниках, если смесь сертифицирована как нетоксичная.Убедитесь, что в него не добавлены токсичные красители или ингибиторы. Большинство гликолей портятся при очень высоких температурах. Значение pH, точку замерзания и концентрацию ингибиторов следует проверять ежегодно, чтобы определить, нуждается ли смесь в каких-либо корректировках или заменах для поддержания ее стабильности и эффективности.

Хладагенты / жидкости с фазовым переходом
Они обычно используются в качестве теплоносителя в холодильниках, кондиционерах и тепловых насосах. Обычно они имеют низкую температуру кипения и высокую теплоемкость.Это позволяет небольшому количеству хладагента очень эффективно передавать большое количество тепла. Хладагенты быстро реагируют на солнечное тепло, что делает их более эффективными в пасмурные дни, чем другие перекачивающие жидкости. Поглощение тепла происходит, когда хладагент закипает (переходит из жидкой фазы в газообразную) в солнечном коллекторе. Высвобождение собранного тепла происходит, когда газообразный хладагент снова конденсируется в жидкость в теплообменнике или конденсаторе. Солнечные коллекторы с вакуумными трубками и тепловыми трубками используют этот вид жидкости.

В течение многих лет хлорфторуглеродные (CFC) хладагенты, такие как фреон, были основными жидкостями, используемыми производителями холодильников, кондиционеров и тепловых насосов, поскольку они негорючие, малотоксичные, стабильные, некоррозионные и не замерзают. Однако из-за негативного воздействия ХФУ на озоновый слой Земли производство ХФУ постепенно прекращается, как и производство гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ). Те немногие компании, которые производили солнечные системы с хладагентом, либо полностью прекратили производство этих систем, либо в настоящее время ищут альтернативные хладагенты.Некоторые компании исследовали метиловый спирт в качестве замены хладагентов.

Если солнечная система заправлена ​​хладагентом и нуждается в обслуживании, следует связаться с местным специалистом по обслуживанию солнечных батарей или холодильного оборудования. С 1 июля 1992 г. преднамеренный выброс ХФУ и ГХФУ во время обслуживания и ремонта или утилизации оборудования, содержащего эти соединения, является незаконным и карается высокими штрафами. Несмотря на то, что производство CFC было прекращено в США в 1996 г., лицензированный техник по холодильному оборудованию может обслуживать вашу систему.

В начало

Компоненты: Циркуляционные насосы

Как только определено, что насос должен работать в замкнутом контуре, разомкнутом контуре или в другой конкретной среде, для выбора подходящего насоса используются требования к напору и расходу солнечной системы. Напор — это давление, которое насос должен создать, чтобы создать желаемый поток через систему. Общее давление, которое должен создать насос, определяется высотой подъема воды и сопротивлением трения трубы.

Статический напор — это давление, возникающее в результате вертикальной высоты и соответствующего веса столба жидкости в системе. Чем выше насос должен поднимать жидкость против силы тяжести, тем выше статический напор, который он должен развивать. Динамический напор включает сопротивление трению жидкости, протекающей по трубе и фитингам в системе. Давление, которое должен создать насос для преодоления динамического напора, зависит от размера и длины трубы, количества фитингов и изгибов, а также скорости потока и вязкости жидкости.

Циркуляционные насосы обычно делятся на категории с низким, средним или высоким напором. Приложения с низким напором имеют напор от 3 до 10 футов (0,9–3 м); аппликации со средним напором, от 10 до 20 футов (3-6 м) напора; и аппликации с высоким напором, более 20 футов напора.

Компоненты: датчики и органы управления

Компоненты: Накопительный бак

Солнечная система нагрева воды обычно устанавливается между холодной водой, поступающей в дом, и обычным водонагревателем, и используется для предварительного нагрева воды, поступающей в обычный водонагреватель. Накопительный бак необходим для хранения воды, нагретой солнечной системой нагрева воды. Добавление еще одного накопительного бака для хранения воды, нагретой солнечными батареями, не только более эффективно, чем обычный водонагреватель, но и солнечный водонагреватель действует как средство защиты солнечных батарей от перегрева.На этом рисунке слева показан накопительный бак емкостью 80 галлонов, а справа — обычный водонагреватель, работающий на природном газе, с дополнительным изоляционным покрытием.

Обратный клапан позволяет жидкости течь только в одном направлении.Он предотвращает потерю тепла в ночное время за счет конвективного потока от теплого накопительного бака к холодным коллекторам. Обратные клапаны бывают «поворотного» или «пружинного» типа. Обратные клапаны поворотного типа должны быть установлены надлежащим образом (т. Е. Не перевернутыми вертикально, чтобы они могли висеть открытыми). Обратный клапан поворотного типа следует использовать с насосом, питаемым непосредственно от фотоэлектрического модуля. В условиях низкой освещенности происходит более низкая скорость потока, которая может быть недостаточно сильной, чтобы преодолеть пружинный обратный клапан. Для систем, использующих циркуляционные насосы переменного тока, следует установить пружинные обратные клапаны.Пружина сопротивляется потоку термосифона в любом направлении.

Расширительный бак позволяет жидкости в замкнутой системе расширяться и сжиматься в зависимости от температуры жидкости. Без расширительного бачка водопровод легко лопнул бы при нагревании жидкости. Расширительные баки мембранного типа состоят из внутренней камеры и камеры сжатого воздуха. Нагретая жидкость расширяется в замкнутом контуре относительно баллона и камеры сжатого воздуха.Поскольку жидкость сжимается при охлаждении, воздушная камера поддерживает давление в замкнутом контуре. Размер расширительного бака должен выдерживать расширение в зависимости от объема, коэффициента расширения и диапазона колебаний температуры. Размер и количество коллекторов, а также размер и длина трубопроводов и фитингов определяют объем жидкости. Расширительные баки мембранного типа можно найти в большинстве домов водоснабжения.

Компоненты: Клапан сброса давления

Каждая гидравлическая система отопления должна иметь защиту от высокого давления из-за высоких температур.Клапан сброса давления на 50 фунтов на квадратный дюйм обычно достаточен для защиты систем водопровода с замкнутым контуром от чрезмерного давления. Клапаны сброса температуры / давления обычно не используются в замкнутом контуре, поскольку часто встречаются высокие температуры. Чаще всего используются предохранительные клапаны только по давлению. Клапаны сброса давления должны иметь вентиляционную трубку, которая направляет вытекающую жидкость в ведро или слив в полу. Как только один из этих клапанов открывается, целесообразно заменить его, поскольку они часто не полностью пересаживаются, частицы накипи или грязи могут привести к медленной утечке.

Манометр показывает, находится ли система с замкнутым контуром в допустимом диапазоне давления. Типичное давление в системе составляет от 10 до 15 фунтов на квадратный дюйм. Манометр используется в качестве диагностического прибора для контроля состояния заряда гликоля. Падение давления указывает на утечку в системе, которую необходимо найти и отремонтировать.

, Урок 2, Вопросы

1. Кратко опишите два основных типа активных солнечных водонагревательных систем.
2. Что движет циркуляцией жидкости из коллектора (коллекторов) в накопительный бак в пассивных солнечных водонагревательных системах?
3. Какой наиболее распространенный тип солнечного коллектора?
4. Когда требуется теплообменник с двойными стенками в солнечной водонагревательной системе?
5. Почему хладагенты-теплоносители, такие как хлорфторуглерод, постепенно исключаются из систем солнечного отопления?
6. Какой тип насоса обычно используется в типичной жилищной системе солнечного водонагревания с замкнутым контуром?
7. В чем разница между статической головкой и динамической головкой?
8. Где следует размещать датчики контроллеров в солнечной водонагревательной системе?
9. Зачем устанавливать обратный клапан в солнечной системе водяного отопления? Где следует установить пружинный обратный клапан?
10. Какова основная функция расширительного бачка в системе с обратной связью?
11. Где должны быть установлены датчики температуры, чтобы указать, как работает система в разомкнутой и замкнутой системе солнечного водонагревания?

В начало

ответы

Солнечный водонагреватель — мероприятие

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 9 (9-11)

Требуемое время: 4 часа

Четыре 60-минутных периода в течение четырех дней

Расходные материалы на группу: 10 долларов США.00

Размер группы: 3

Зависимость активности: Нет

Тематические области: Алгебра, Физические науки, Физика, Решение задач

Резюме

Инженерное соединение

Многие из сегодняшних инженеров сосредотачивают свои усилия на том, как включить альтернативные формы энергии в наши дома и здания в качестве замены сжиганию ископаемого топлива, которое оказывает вредное воздействие на нашу окружающую среду.Один из способов — воспользоваться излучением нашего солнца, преобразовав его в тепловую энергию для выработки электричества, нагрева воды и приготовления пищи.

Цели обучения

После этого задания учащиеся должны уметь:

• Укажите места в солнечном водонагревателе, в которых используется каждый тип теплопередачи.
• Объясните, почему солнечная энергия является хорошей альтернативой сжиганию природного газа.
• Объясните, как инженерные концепции этого дизайн-проекта могут быть применены для решения реальных проблем.

Образовательные стандарты

  Солнечный коллектор: FlatPlate: Water,
 Коллектор 1,! - Имя
 ACR Solar International Fireball 2001,! - Название производительности солнечного коллектора
 Поверхность коллектора,! - Имя поверхности
 Впускной узел коллектора,! - Имя впускного узла
 Узел выхода коллектора,! - Имя узла выхода
 0.00005; ! - Максимальный расход (м3 / с)  

  HVAC, Среднее значение, модификатор угла падения солнечного коллектора []
HVAC, средний КПД солнечного коллектора []
HVAC, средняя скорость теплопередачи солнечного коллектора [Вт]
HVAC, средний показатель теплоотдачи солнечного коллектора [Вт]
HVAC, средний показатель потерь тепла солнечным коллектором [Вт]
HVAC, Sum, Энергия теплопередачи солнечного коллектора [Дж]  

  Зона, средняя, ​​поверхность за пределами лица, освещенная солнцем Площадь [м2]
Зона, среднее значение, доля поверхности за пределами лица при солнечном освещении []
Зона, средняя, ​​поверхность за пределами лица Уровень падающего солнечного излучения на площадь [Вт / м2]
Зона, средняя, ​​поверхность за пределами лица Падающий луч солнечного излучения на площадь [Вт / м2]
Зона, средняя, ​​поверхность за пределами лица Падающее небо Скорость рассеянного солнечного излучения на площадь [Вт / м2]
Зона, средняя, ​​поверхность за пределами лица Падающая на землю интенсивность диффузного солнечного излучения на площадь [Вт / м2]
Зона, среднее значение, косинус угла падения солнечного луча на поверхность []  

  HVAC, средняя, ​​температура узлов системы [C]
HVAC, средний, массовый расход в узле системы [кг / с]  

  SolarCollectorPerformance: FlatPlate,
  Альтернативные энергетические технологии AE-32,! - Имя
  2.9646,! - Общая площадь {м2}
  ВОДА,! - Тестовая жидкость
  0.0000388,! - Тестовый расход {м3 / с}
  INLET,! - Тип корреляции теста
  0,691,! - Коэффициент 1 уравнения эффективности {безразмерный}
  -3.396,! - Коэффициент 2 уравнения эффективности {Вт / м2-К}
  -0.00193,! - Коэффициент 3 уравнения эффективности {W / m2-K2}
  -0.1939,! - Коэффициент 2 модификатора угла падения
  -0,0055; ! - Коэффициент 3 модификатора угла падения  

  SolarCollector: IntegralCollectorStorage,
  Коллектор 1,! - Имя
  ICS Solar Collector,! - Название производительности солнечного коллектора
  ICS Collector Surface,! - Имя поверхности
  OtherSideConditionsModel,! - Тип граничных условий нижней поверхности
  ICS OSCM,! - Название модели граничного условия
  Впускной узел коллектора,! - Имя впускного узла
  Узел выхода коллектора,! - Имя узла выхода
  0.00005; ! - Максимальный расход (м3 / с)  

  SolarCollectorPerformance: IntegralCollectorStorage,
 ICS Experimental,! - Имя
 RectangularTank,! - Тип коллектора ICS
 0,37275,! - Общая площадь {м2}
 0,0195875,! - Объем воды коллектора {м3}
 0.10,! - Нижняя теплопроводность
 1.00,! - Боковая теплопроводность
 0,8,! - Соотношение сторон коллектора {безразмерный}
 0,08,! - Высота стороны коллектора {м}
 5800.0,! - Тепловая масса пластины абсорбера {Дж / м2К}
 1,! - Кол-во крышек {безразмерный}
 0,05,! - Расстояние между крышками {м}
 1,526,! - Показатель преломления внешнего покрытия {безразмерный}
 0,0125,! - Коэффициент экстинкции, умноженный на толщину внешней оболочки {безразмерный}
 0,88,! - Коэффициент излучения внешней крышки
 1,126,! - Показатель преломления внутреннего покрытия {безразмерный}
 0,0126,! - Коэффициент экстинкции, умноженный на толщину внутренней оболочки {безразмерный}
 0.88,! - Излучающая способность внутренней крышки {безразмерная}
 0,96,! - Поглощающая способность пластины абсорбера {безразмерный}
 0,60; ! - Коэффициент излучения пластины поглотителя {безразмерный}  

  HVAC, Средняя температура воды в хранилище солнечного коллектора [C]
HVAC, средняя температура пластины абсорбера солнечного коллектора [C]
HVAC, среднее значение, общий коэффициент тепловых потерь солнечного коллектора [Вт / м2-C]
HVAC, средний, тепловой КПД солнечного коллектора []
HVAC, средняя скорость теплопередачи в солнечном коллекторе [Вт]
HVAC, Sum, энергия теплопередачи накопителя солнечного коллектора [Дж]
HVAC, средняя скорость теплопередачи солнечного коллектора [Вт]
HVAC, Sum, Энергия теплопередачи солнечного коллектора [Дж]
HVAC, средняя скорость теплопередачи через кожу солнечного коллектора [Вт]
HVAC, Sum, Энергия теплопередачи через кожу солнечного коллектора [Дж]
HVAC, Среднее, произведение коэффициента пропускания солнечного коллектора []  

  Солнечный коллектор: FlatPlate: PhotovoltaicThermal,
  PVT: 1_Ceiling,! - Имя
  1_Ceiling,! - Имя поверхности
  30percentPVThalfArea,! - Название производительности фотоэлектрической-тепловой модели
  PV: ZN_1_FLR_1_SEC_1_Ceiling,! - фотоэлектрическое имя
  Воздух,! - Тип термической рабочей жидкости
  ,! - Имя узла впуска воды
  ,! - Имя узла выхода воды
  ZN_1_FLR_1_SEC_1: Sys_OAInlet Node,! - имя узла впуска воздуха
  PVT: ZN_1_FLR_1_SEC_1_Ceiling Outlet,! - имя узла выхода воздуха
  Авто размер ; ! - Расчетный расход  

  HVAC, Среднее значение тепловой мощности генератора [Вт]
HVAC, сумма, тепловая энергия, произведенная генератором [Дж]
HVAC, среднее значение, состояние байпаса жидкости PVT генератора []
HVAC, средняя температура жидкости на входе в генератор PVT [C]
HVAC, средняя температура жидкости на выходе из генератора PVT [C]
HVAC, средний, массовый расход жидкости PVT генератора [кг / с]  

  SolarCollector Производительность: PhotovoltaicThermal: Simple,
  20percentEffPVhalfArea,! - Имя
  0.5,! - Доля площади с активным тепловым коллектором
  Фиксированный,! - Тип режима входа КПД теплового преобразования
  0.2,! - Значение КПД теплового преобразования, если фиксировано
   ,! - Название графика КПД термического преобразования
  0.84; ! - Излучение передней поверхности  

  AvailabilityManagerAssignmentList,
  Список диспетчера доступности коллекторного цикла,! - Имя
  AvailabilityManager: HighTemperatureTurnOff,! - Тип объекта диспетчера доступности 1
  Диспетчер доступности выключения при высоких температурах,! - Имя диспетчера доступности 1
  AvailabilityManager: HighTemperatureTurnOn,! - Тип объекта диспетчера доступности 2
  Включите диспетчер доступности при низкой температуре,! - Имя диспетчера доступности 2
  AvailabilityManager: DifferentialThermostat,! - Тип объекта диспетчера доступности 3
  Диспетчер доступности дифференциального термостата; ! - Имя менеджера доступности 3

 AvailabilityManager: HighTemperatureTurnOff,! Для безопасности водонагревателя
  Диспетчер доступности выключения при высоких температурах,! - Имя
  Водонагреватель использует выходной узел,! - имя узла датчика
  60.0; ! - Температура (C)

 AvailabilityManager: HighTemperatureTurnOn,! Для предотвращения замерзания за счет рециркуляции
  Низкотемпературный диспетчер доступности,! - Имя
  Узел выхода коллектора,! - имя узла датчика
  0,0; ! - Температура (C)

 AvailabilityManager: Дифференциальный термостат,! Для получения полезного тепла от коллектора к резервуару
  Диспетчер доступности дифференциального термостата,! - Имя
  Узел выхода коллектора,! - имя горячего узла
  Узел выхода источника водонагревателя,! - Имя холодного узла
  10.0,! - Предельная разница температур (дельта C)
  2.0; ! - Предел отключения разницы температур (дельта C)  

  SolarCollector: неглазурованный Transpired,
    Магазин ОА УТСК ЗН11,! Имя
    UTSC OSCM ZN11,! Название модели граничных условий
    ОтоплениеAvailSched,! Название графика доступности
    Узел впуска наружного воздуха ZN11,! Имя входного узла
    Узел выхода UTSC ZN11,! Название узла розетки
    Узел смешанного воздуха ZN11,! Имя узла уставки
    Узел ZN11,! Имя узла зоны
    ShopFreeHeatingSetpoints,! Название графика уставки свободного нагрева
    0.0016,! Диаметр перфорации в коллекторе
    0,01689,! Расстояние между перфорациями в коллекторе
    0.9,! Коэффициент теплового излучения поверхности коллектора
    0.9,! Солнечная поглощающая способность поверхности коллектора.
    4.0,! Эффективная общая высота коллектора
    0.1,! Эффективная толщина зазора камеры за коллектором
    2.0,! Эффективная площадь поперечного сечения пленума за коллектором
    Треугольник,! Схема расположения отверстий для шага
    Kutscher1994,! Корреляция эффективности теплообмена
    1.165,! Отношение фактической площади поверхности коллектора к предполагаемой площади поверхности
    MediumRough,! Шероховатость коллекционера
    0,00086,! Толщина коллектора
    0,25,! Эффективность перфорации по отношению к ветру
    0,5,! Коэффициент расхода для отверстий по отношению к потоку, управляемому плавучестью
    ZN11_Shop_1: ExtWall: Юг; ! Поверхность 1 Имя  

  HVAC, Средняя эффективность теплообменника солнечного коллектора []
HVAC, средняя температура воздуха на выходе из солнечного коллектора [C]
HVAC, Средняя скорость всасывания с внешней стороны солнечного коллектора [м / с]
HVAC, средняя температура поверхности солнечного коллектора [C]
HVAC, средняя температура воздуха в камере солнечного коллектора [C]
HVAC, средняя скорость ощутимого нагрева солнечного коллектора [Вт]
Зона, метр, SolarAir: объект [J]
Зона, метр, SolarAir: HVAC [J]
Зона, метр, произведенное тепло: SolarAir [Дж]
ОВКВ, сумма, разумная энергия нагрева солнечного коллектора [Дж]
HVAC, Средняя скорость изменения воздуха в системе естественной вентиляции солнечного коллектора [ACH]
HVAC, средний массовый расход естественной вентиляции солнечного коллектора [кг / с]
HVAC, средний, солнечный коллектор, ветер, естественная вентиляция, массовый расход [кг / с]
HVAC, Среднее значение плавучести солнечного коллектора Массовый расход естественной вентиляции [кг / с]
HVAC, Среднее, солнечное излучение от солнечного коллектора [Вт / м2]
HVAC, средний КПД системы солнечного коллектора []
HVAC, средний КПД солнечного коллектора []  

  SolarCollector: неглазурованный
  ОФИС MultiSystem OA UTSC,! Название солнечного коллектора
  Узел впуска наружного воздуха ZN1,! Входной узел коллектора системы наружного воздуха 1
  Узел выхода UTSC ZN1,! Выпускной узел коллектора системы наружного воздуха 1
  Узел смешанного воздуха ZN1,! Система наружного воздуха 1 узел смешанного воздуха
  Узел ZN1,! Узел 1 зоны наружной воздушной системы
  Узел впуска наружного воздуха ZN2,! Впускной узел коллектора системы наружного воздуха 2
  Узел выхода UTSC ZN2,! Выпускной узел коллектора системы наружного воздуха 2
  Узел смешанного воздуха ZN2,! Система наружного воздуха 2 Узел смешанного воздуха
  Узел ZN2,! Узел системы наружного воздуха, 2 зоны
  Узел впуска наружного воздуха ZN3,! Впускной узел коллектора системы наружного воздуха 3
  Узел выхода UTSC ZN3,! Выходной узел коллектора системы наружного воздуха 3
  Узел смешанного воздуха ZN3,! Система наружного воздуха с 3 узлами смешанного воздуха
  Узел ZN3,! Узел системы наружного воздуха, 3 зоны
  Узел впуска наружного воздуха ZN4,! Входной узел коллектора системы наружного воздуха 4
  Узел выхода UTSC ZN4,! Выпускной узел коллектора системы наружного воздуха 4
  Узел смешанного воздуха ZN4,! Система наружного воздуха 4 узла смешанного воздуха
  Узел ZN4,! Узел системы наружного воздуха, 4 зоны
  Узел впуска наружного воздуха ZN5,! Впускной узел коллектора системы наружного воздуха 5
  Узел выхода UTSC ZN5,! Выпускной узел коллектора системы наружного воздуха 5
  Узел смешанного воздуха ZN5,! Система наружного воздуха 5 Узел смешанного воздуха
  Узел ZN5; ! Система наружного воздуха, 5 зон, узел