Конструктивные способы повышения эффективности гелиоустановок
В обычных (неселективных) коллекторах трудно обеспечить температуру воды, превышающую 60 °C. Кроме того, при температурах свыше 60 °C значительны тепловые потери вследствие излучения с тепловоспринимающей поверхности. Существенно снизить эту составляющую потерь и повысить тем самым эффективность коллектора можно нанесением на его тепловоспринимающую поверхность поглощающих покрытий, обладающих селективными оптическими свойствами. Важной характеристикой селективного покрытия является отношение поглощательной способности поглощающей панели относительно солнечного излучения а к степени черноты ε в области длин волн собственного теплового излучения. Наибольшее значение ag/s удается получить с помощью многослойных интерференционных покрытий, создаваемых нанесением на предварительно отполированную поверхность коллектора тонких диэлектрических и металлических пленок в высоком вакууме. Один из самых подходящих методов получения селективных покрытий заключается в создании покрытий «черный хром» и «черный никель», обладающих хорошими оптическими характеристиками.
Эффективность работы коллектора можно повысить с помощью так называемых сотовых структур. Они состоят из ячеек, которые в плане имеют форму квадрата, прямоугольника или шестиугольника. Результаты экспериментальных исследований показали, что применение сотовых структур дает эффект при толщине стенок ячеек 0,5 мм и менее [9]. При толщине δ = 0,11 мм КПД коллектора повышается на 31 %.
Для того чтобы снизить конвективные потери из коллектора в окружающую среду, авторы работы [58] предложили заполнить пространство между поглощающей поверхностью и прозрачным покрытием инертным газом — ксеноном или аргоном. При этом КПД повышается на 4...8 %, однако трудно обеспечить длительное сохранение в коллекторе инертного газа, поэтому этот способ не нашел практического применения.
Электрогелионагревательные системы теплоснабжения
Один из путей повышения эффективности солнечных установок заключается в использовании электрогелионагревателей (ЭГН), концепцию которых разработал акад. Л.С. Герасимович [59]. Пленочные низкотемпературные нагреватели имеют ряд преимуществ. Их совмещение с технологическим оборудованием снижает общую стоимость и тепловую инерционность электронагревательного прибора, равномерность температурного поля на контактной поверхности теплообмена с термолабильными элементами. Они могут использоваться в качестве электронагревателей для нагрева жидкости на фермах молодняка животных и в птицеводческих помещениях.
Технология изготовления пленочных электронагревателей (ПЭН) следующая: формирование корпуса; подготовка его к эмалированию; многослойное эмалирование; приготовление в требуемом виде и дозирование ингредиентов, тщательное перемешивание, нанесение, сушка и термообработка; промежуточный контроль качества изоляции и сопротивления ПЭН; металлизация контактных элементов; нанесение, сушка и обработка герметизирующего покрытия; сборка и монтаж; испытание в рабочем режиме и технический контроль.
Для химически осажденного покрытия коэффициент термического расширения в интервале 20...200 °C равняется 1,3*10-3 град1, а для шликерного резистивного покрытия — 0,71*10 3 град"1.
На основе этой концепции разработана конструкция солнечного коллектора, в котором теплоносителями являются стеклянные трубы с пленочным электрическим покрытием [60].
Электрогелионагреватель может работать в трех режимах.
- Солнечный режим работы ЭГН: солнечные лучи поглощаются верхней частью резистивного покрытия и передаются теплоносителю.
- Электрический режим: электрический ток, протекая по поверхностно распределенному резистивному элементу, нагревает его. Полученная джоулева теплота передается теплоносителю.
- Комбинированный режим: одновременно происходят процессы, описанные в первых двух режимах работы ЭГН.
Уравнение баланса энергии запишем для комбинированного режима работы ЭГН, поскольку он учитывает и солнечный, и электрический режимы. Один из них может быть получен «выключением» другого.
Для верхней части теплоприемной трубы
Определим тепловой КПД электронагревателя при различных режимах:
комбинированный нагрев
На базе ЭГН была изготовлена водонагревательная установка, которая включала в себя: ЭГН, бак-аккумулятор, циркуляционный насос, трубопроводы и измерительную аппаратуру. Установка была смонтирована в Крыму. Производственные испытания свидетельствуют о технологической пригодности и удобстве эксплуатации предлагаемой системы горячего водоснабжения за счет энергии солнечного излучения.
Совмещение в одном элементе солнечного коллектора и резервного источника теплоты целесообразно также в вакуумированных гелиоколлекторах, что уменьшает габаритные размеры системы и делает ее более удобной в управлении. Следует подчеркнуть, что электрогелиоколлекторы могут быть использованы в дни, когда из-за сильной облачности или дождя эффективность работы солнечных систем отопления существенно уменьшается.
