Мощность солнечный коллектор: Мощность солнечного коллектора

Содержание

Расчет плоского солнечного коллектора - Статьи об энергетике





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

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


Расчет мощности плоского солнечного коллектора

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

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

 

0,05/0,1 × 50 = 25 Вт


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

Солнечный коллектор своими руками
Солнечные батареи и коллекторы для бытового назначения

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

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

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


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

 

 




Всего комментариев: 0


Расчет солнечного коллектора для отопления дома и ГВС


Использование гелиоколлекторов для системы теплоснабжения – способ существенно сэкономить на отоплении дома. Солнечное излучение бесплатно и доступно всем, а стоимость гелиосистем постоянно снижается. Правильный расчет солнечного коллектора для отопления дома позволит избежать лишних затрат на оборудование и организовать эффективную систему обогрева здания.

Большинство производителей, поставщиков и установщиков делают лишь приблизительный расчет солнечных коллекторов, но мы опишем все детально. В статье мы пошагово расскажем, как выполнить расчет гелиосистем для отопления, чтобы полностью обеспечить дом теплом зимой. Пусть вас не пугает количество формул – для подсчета потребуется обычный калькулятор. Ваши вопросы и мнение вы можете оставить в комментариях.

Расчет реальной мощности солнечного коллектора

Производители указывают максимальную мощность гелиоколлектора при полном освещении при направлении на юг и ориентации перпендикулярно солнцу в полдень. Но не всегда можно так направить панели, особенно если их устанавливать крыше дома.

Ниже приводим формулы, которые универсальны и могут использоваться как для подсчета количества коллекторов, так для подсчета общей площади в квадратных метрах.

Подсчет эффективности гелиоколлектора по направлению

Рассчитать базовую тепловую производительность солнечного плоского или вакуумного коллектора можно по следующей формуле:

Pv = sin A x Pmax x S

Значения:

  • Pv – мощность солнечного коллектора;
  • A – угол отклонения плоскости гелиоколлектора от направления на юг;
  • Pmax – средний уровень инсоляции в вашем регионе в холодное время года.

Даже если солнце не скрыто облаками, в течении дня уровень инсоляции меняется, от чего зависит производительность коллектора. Усредненные данные видно на этом графике:

Данные на иллюстрации по дневному уровню инсоляции усредненные, но позволяют понять разницу между количеством тепловой энергии, которую можно получить в разное время года.

Максимальный уровень инсоляции зимой в среднем в 3-4 раза меньше, чем летом. Количество солнечной энергии, которую может получить гелиоколлектор за сутки зимой в 5-7 раз ниже (в зависимости от широты) чем летом.

Расчет производительности гелиоколлектора по углу установки

Оптимальный угол установки солнечного коллектора для отопления дома зимой – так, чтобы он был перпендикулярен солнечным лучам в 10 часов утра. Так он может собрать максимум тепловой энергии на протяжении светового дня.

Иногда не получается этого сделать (при установке на крыше, монтаже на стандартных опорах). Из-за отклонения от оптимального угла энергоэффективность коллектора может измениться. Рассчитать ее можно по такой формуле:

Pm = sin(180 — A — B) x Pv

Значения:

  • Pm – производительность гелиоколлектора;
  • A – угол между коллектором и плоскостью земли;
  • B – высота солнца над горизонтом в 10 часов утра;
  • Pv – найденная ранее мощность.

Если у вас есть возможность ориентировать солнечный коллектор так, чтобы он был перпендикулярен солнцу, тогда:

Pm = Pv

На фотографии обозначен угол наклона солнечного коллектора, который нужно использовать при вычислениях.

Особенности плоских панелей

Плоский гелиоколлектор имеет небольшие теплопотери через заднюю стенку, которые составляют в среднем 5 Вт на квадратный метр. Поэтому от полученного ранее значения реальной мощности P надо отнять 5 Вт на каждый квадратный метр площади.

Уровень поглощения солнечного излучения плоского гелиоколлектора ниже 100%. Это нужно учесть при подсчете его тепловой мощности. Если панель поглощает только 95%, то ее реальная мощность:

P = Pm x 0.95 х S

Значения:

  • Pm – мощность коллектора из формулы выше;
  • P – реальная производительность коллектора;
  • S – площадь коллектора.

Производительность вакуумного коллектора

Производители вакуумных коллекторов могут указывать мощность коллектора без учета расстояния между трубками. Чтобы определить, какова реальна площадь поверхности трубок и производительность вакуумного коллектора, воспользуемся формулой:

P = Pm x D / L

Обозначения:

  • P – реальная производительность солнечного коллектора;
  • Pm – мощность коллектора, рассчитанная ранее;
  • D – диаметр вакуумных трубок;
  • L – расстояние между трубками.

Термодинамические солнечные панели

С таким типом коллекторов все гораздо сложнее. Сейчас они не слишком распространены, производители экспериментируют с материалами и селективным покрытием. Разные модели отличаются уровнем поглощения и теплопотерями.

В целом, термодинамические солнечные панели имеют право на жизнь. Но мы бы не рекомендовали обустраивать отопление с их помощью. На рынке мало эффективных моделей, а те, которые есть, продают по завышенным ценам.

Сколько нужно солнечных коллекторов для отопления дома?

Независимо от того, какая система отопления установлена в доме, теплопотери у него будут одинаковыми. Для точного просчета лучше обратиться к специалистам, но для получения примерных данных можно использовать онлайн-сервисы http://teplo-info.com/otoplenie/raschet_teplopoter_online.

Разделив полученные данные на значение P, вычисленное по последней формуле, вы узнаете, сколько гелиоколлекторов или квадратных метров коллекторов вам необходимо чтобы обеспечить отопление дома зимой.

Отдельно стоит напомнить, что в холодное время года есть нюансы с эксплуатацией гелиоколлекторов. Узнать об этом больше можно в статье «Как работает солнечный коллектор зимой – эффективность, проблемы и их решение».

Основная проблема змой — чистить коллекторы от холода.

Подключим горячее водоснабжение?

В дополнение к отоплению, к коллекторной солнечной системе можно подключить горячее водоснабжение. Для этого подсчитаем, сколько тепловой энергии вам необходимо тратить каждый день. Формула расчета солнечного коллектора для ГВС проста:

Pw = 1,163 x V x (T – t) / 24

Обозначения:

  • Pw – количество тепла, необходимое для подогрева воды;
  • V – средний объем горячей воды, расходуемый за сутки;
  • T – температура, до которой нужно подогреть воду;
  • t – температура, с которой вода поступает в систему.

Чтобы рассчитать необходимое количество дополнительных коллекторов для ГВС – разделите это значение на производительность солнечного коллектора P, полученное по последней формуле.

Советы по отоплению дома гелиоколлекторами

  • Плоские солнечные коллекторы эффективнее в теплое время года, а вакуумные трубки – зимой. В зависимости от модели и производителя разница может достигать 50%. Подробнее об этом вы можете прочитать в статье «Солнечный коллектор – плоский или вакуумный?».
  • На случай непредвиденной ситуации стоит иметь альтернативные источники тепловой энергии – конвекторы, газовый или твердотопливный котел, тепловой насос.
  • Обычно коллекторы поставляются вместе с отдельными баками-накопителями. Выгоднее будет приобрести отдельно плоские или вакуумные панели и один или два больших резервуара с хорошей теплоизоляцией. Чем меньше объем бака, тем быстрее он остывает.
  • Для организации эффективного отопления стоит иметь большой бак накопитель, в котором в светлое время суток коллекторы будут нагревать воду, а ночью она будет расходоваться на обогрев здания.
  • Наличие качественного контроллера в системе отопления позволит поддерживать заданную температуру, регулировать циркуляцию, устанавливать температурные режимы, задавать таймер включения.
  • Для автономного отопления дома солнечными коллекторами необходимо купить большое количество оборудования, оплатить его монтаж и подключение. Если вам это не по карману – можно использовать гелиоколлекторы как вспомогательную систему отопления.
  • Хорошей экономии можно достичь если использовать солнечные коллекторы в паре с тепловым насосом. Они будут нагревать воду, а тепловой насос – подогревать ее до необходимой температуры.
  • Если здание плохо утеплено, то использовать солнечные коллекторы эффективнее с водяным теплым полом. Он отдает максимум тепла в помещение, а не стенам, как радиаторы отопления.

Как видим, расчет солнечных коллекторов для отопления дома довольно прост. Конечно, специалист должен будет посчитать множество других нюансов, но они не смогут существенно повлиять на конечный результат. В некоторых случаях обогрев здания коллекторами нецелесообразен, но в качестве дополнительного источника бесплатного тепла, гелиоколлекторы незаменимы.

Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

энергоэффективное отопительное оборудование: поставка, монтаж, сервис

Приглашаем в демонстрационный зал салона отопительного оборудования "АТМОС", где представлены пиролизные котлы длительного горения ATMOS, пе

ллетные автоматические котлы ATMOS, накопительные косвенные и комбинированные бойлеры DRAZICE, солнечные панели, вакуумные коллекторы и тепловые насосы REGULUS, теплоаккумуляторы DRAZICE, напольные газовые котлы ATTACK, насосные группы быстрого монтажа REGULUS и многое другое, необходимое для качественного монтажа и установки твердотопливных и газовых котлов.

Доступные цены, рассрочки, акции, скидки - множество выгодных предложений от импортера чешского отопительного оборудования.


ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР


Акции

До лета осталось 39 дней! Но уже с апреля плоские солнечные коллекторы REGULUS KPS1 эффективно работают на нагрев горячей воды. Мы предлагаем использовать солнечную энергию с помощью плоских солнечных коллекторов REGULUS для приготовления горячей воды. Купить чешский солнечный коллектор KPS1 ...

подробнее

В акции участвуют бойлеры косвенного нагрева DRAZICE OKC 125 NTR/HV и OKC 160 NTR/HV . Преимущества водонагревателей DRAZICE серии OKC__NTR/HV: 1. Это стационарные напольные бойлеры косвенного нагрева с верхними выводами для удобного монтажа бойлера с газовым и электрическим котлом. 2. Компактное ...

подробнее

Условия акции: купить пиролизный котел ATMOS в 2021 году ! Подарок - 5 м 3 дров! В период с 20 марта по 31 декабря 2021 года при покупке пиролизного котла ATMOS мощностью от 20 кВт до 35 кВт мы дарим 5 м 3 дров. ...

подробнее

Новое на сайте

Часто при выборе водонагревателя потребитель оценивает стоимость и базовые характеристики, оставляя без внимания немаловажные, на первый взгляд, параметры. Однако именно они способны повлиять на эффективность и качество приобретаемого изделия. Быстрый переход: 1. Виды водонагревателей. 2. Как

подробнее

В нашем климатическом поясе отопление является насущной необходимостью. Не просто так в городах выросли громады теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), районных котельных и прочих больших и малых тепловых станций. На большинстве предприятий режим работы собственных котельных и ТЭЦ неразрывно связан с

подробнее

При выборе электрического котла помимо мощности необходимо обратить внимание на следующие вопросы: 1. Из какого материала изготовлены ТЭНы? 2. Есть ли ротация ТЭНов и почему эта функция необходима? 3. Какой насос установлен в электрическом котле? 4. Можно ли заливать "Теплый дом" в электрокотел? 5.

подробнее

Ниже приведены наиболее частые вопросы владельцев водонагревателей по эксплуатации и обслуживанию бойлеров DRAZICE. 1. Для чего необходимо устанавливать предохранительный клапан? 2. Как установить обратный клапанан в комбинированных бойлерах? 3. Почему горячая вода может иметь запах? 4. Как слить

подробнее

С 2021 года бойлер комбинированного нагрева DRAZICE OKC 200/1м² объемом 200 литров выпускается в новом современном дизайне с усовершенствованными пластиковыми крышками и держателями для удобной эксплуатации бойлера. Купить комбинированный бойлер DRAZICE OKC 200/1м² в новом дизайне!

подробнее

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Солнечная энергия представляет собой большую часть энергии, которая находится и используется на Земле. Количество солнечной энергии, ежегодно поступающей на Землю, варьируется в Европе от 900 кВт/ч/м2 на севере до примерно 1500 кВт/ч/м2 на юге. Солнечные тепловые

подробнее

ООО "Торговый дом "Атмос" ООО "Торговый дом "Атмос" - официальный дилер в Беларуси торговых марок - ATMOS , DRAZICE , ATTACK , REGULUS, HANSA . г. Минск, ул.Каменногорская, 47, офис 4 +375 29 374-13-45 +375 29 604-04-11 тел.+375 17 323-69-47 Демонстрационный зал широкого ассортимента

подробнее

Решение купить пеллетный котел ATMOS основывается на главных аргументах - полная автоматизация процесса отопления, надежность, автономность, комфорт, эффективность и экономичность. Пеллетные автоматические котлы ATMOS - это: широкий диапазон мощности - от 15 кВт до 80 кВт. цельносварной

подробнее

Эквитермальное управление ATMOS ACD 03 и 04 - это новый элемент управления с сенсорным цветным дисплеем, позволяющий легко управлять котлом и системой отопления интуитивно понятным способом в соответствии с последними тенденциями. Блок управления ACD 03 предназначен для дополнительной установки в

подробнее

Основные характеристики и критерии оценки солнечных коллекторов Viessmann

Viessmann более 30 лет назад начала разработку и производство установок для использования солнечной энергии и получила в этой области большой опыт.
Благодаря высокой температуре, Солнце является особенно сильным источником излучения. Диапазон видимого солнечного излучения представляет лишь малую часть всего спектра излучения, но имеет при этом самую высокую интенсивность излучения. Во внутренней части Солнца протекают процессы ядерного синтеза, при которых из атомов водорода синтезируются атомы гелия. Вследствие этого происходит высвобождение энергии, разогревает внутреннюю часть Солнца до температуры 15000000 градусов Цельсия. Интенсивность излучения на поверхности Солнца составляет 63 МВт / м2. Суточное количество энергии, которая излучается с 1 м2 эквивалентно теплоте сгорания 151 200 л мазута и составляет 1512000 кВтч.
Коллекторы - это генераторы теплоты, которые во многом отличаются от традиционных источников. Самое большое отличие заключается в том, что источником энергии для получения теплоты, является не традиционное топливо, а солнечное излучение.
Успешная работа солнечной установки зависит не только от коллекторов, но и от рационального использования всех компонентов, имеющихся в системе. Поэтому для эффективного использования коллекторов Viessmann рассмотрим основные характеристики и критерии оценки.
Начнем с коэффициента полезного действия (КПД).

КПД солнечного коллектора называется доля солнечного излучения, попадающего на площадь апертуры коллектора, которая превращается в полезную тепловую энергию (рис. 1).

Площадью апертуры называется поверхность коллектора, на которую эффективно действует солнечное излучение. Коэффициент полезного действия зависит также и от рабочего состояния коллектора. Часть солнечного излучения, попадающего на солнечный коллектор теряется вследствие отражения и поглощения на прозрачном покрытии и вследствие отражения на абсорбере. По отношению интенсивности солнечного излучения, попадающего на коллектор и мощности излучения, превращается в теплоту на абсорбере, можно рассчитать оптический коэффициент полезного действия (η0).
Теплопотери рассчитываются с помощью коэффициентов тепловых потерь к1 и к2 и разницы температур ΔТ между абсорбером и окружающей средой. Все эти характеристики указываются в техническом паспорте на коллектор.
Таким образом, коэффициент полезного действия коллектора:


η = η0 - (k1 · ΔT) / EG - (k2 · ΔT2) / EG.

В соответствии с этими характеристиками и значением интенсивности солнечного излучения Eg, можно отобразить коэффициент полезного действия в виде графика (рис. 2).

Максимальный КПД достигается в том случае, если разница температур коллектора и температуры окружающей среды равна нулю и коллектор не имеет тепловых потерь в окружающую среду.
Температура стагнации. Если отбор теплоты от коллектора прекращается (теплоноситель не циркулирует, насос не работает), то коллектор нагревается до так называемой температуры стагнации. В этом случае тепловые потери равны излучению, поглощалось, производительность коллектора равна нулю. Плоские коллекторы достигают температуры стагнации при температуре выше 200 0С, а вакуумные трубчатые - около 300 С.
Мощность солнечного коллектора. Максимальная мощность коллектора определяется как произведение оптического коэффициента полезного действия η0 и максимального значения падающего излучения 1000 Вт / м2.
Расчетная мощность определяется для проектирования солнечной системы. Она используется для подбора оборудования, и прежде всего, для подбора теплообменника. В качестве нижней границы рекомендуется удельная мощность коллектора - 600 Вт / м2 - при низких температурах, то есть в режиме эксплуатации с ожидаемо высоким КПД. Все компоненты системы и пакетные солнечные системы Viessmann рассчитаны с учетом этого значения мощности коллектора.
Еще встречается понятие установленной мощности. Она составляет 700 Вт / м2 площади абсорберу (усредненная мощность при максимально падающем излучении). Эта величина не влияет на проектирование солнечной системы Viessmann.
Производительность солнечного коллектора определяется как произведение средней ожидаемой мощности (кВт) на соответствующую единицу времени (год). Полученное значение в кВт в год относят к квадратному метру площади коллектора или площади апертуры и получают значение в кВт ч / м2. Это значение, отнесенное к количеству дней, важно для определения параметров баке-аккумулятору солнечной системы Viessmann. Удельная производительность коллектора в год указывается в кВт ч на м2 площади и является важной характеристикой для определения параметров и режима эксплуатации установки. Чем выше значение, тем больше теплоты производится для системы теплопотребления. Это значение особенно высокое, если поверхность коллектора оптимально ориентирована и не имеет затенение. В солнечных системах Viessmann для повышения производительности и эксплуатационных характеристик целесообразно увеличить угол наклона, поскольку оптимальная производительность имеет решающее значение для переходного и зимнего сезона. Летом, если солнечная система используется только для нагрева воды, увеличение угла наклона коллектора позволяет уменьшить избыток энергии (рис. 3). Таким образом, в течение года теплота производится более равномерно и производительность солнечной системы оказывается выше, чем в случае выбора ориентации коллектора на максимальное излучение.

Доля замещения тепловой нагрузки за счет солнечной энергии. Для проектирования солнечной системы замещения тепловой нагрузки - вместе с производительностью - является еще одним важным критерием оценки. Чем большая доля замещения, тем больше экономия энергии. Проектирование эффективной солнечной системы Viessmann - это поиск компромисса между производительностью и судьбой замещения тепловой нагрузки. Разумным компромиссом является, как правило, компромисс между инвестиционными затратами на солнечную систему и экономией энергии. Обычно, судьба тепловой нагрузки составляет 50-60% в ГВС (небольшие солнечные системы), а для многоэтажек - 30-40% ГВС (большие солнечные системы) (рис. 4). При замене части нагрузки на отопление указывается среднее (стандартное) значение, поскольку здесь судьба замещения в большей степени зависит от теплотехнических характеристик помещения.


Принципиально одно: чем больше доля замещения, тем меньше удельная производительность на квадратный метр площади коллектора - из-за невозможности избежать «перепроизводства тепла» летом и снижение коэффициента полезного
действия коллектора.
Напомним коэффициент полезного действия падает при росте разницы температур между коллектором и навколишным средой. Также обращаем Ваше внимание, что все коллекторы Vitosol Viessmann защищены от закипания благодаря технологии ThermProtect.
Данная технология защиты от закипания запатентованная компанией Viessmann. В плоских коллекторах это специальное поглощающее покрытие, которое меняет свои свойства в зависимости от температуры. Если температура коллектора поднимается выше заданного значения, происходит изменение кристаллической структуры, обеспечивающей большую теплоотдачу. Температура коллектора падает и солнечные коллекторы НЕ перегреваются. В вакуумных трубчатых коллекторах Vitosol 300 защита от закипания работает с помощью саморегулирующейся тепловой трубки (Heat-Pipe). Она предотвращает конденсацию теплоносителя в трубках, когда их температура повышается. Защита от перегрева Therm Protect работает без дополнительных компонентов. Это облегчает проектирование солнечных тепловых систем и обеспечивает безопасную работу со всеми солнечными коллекторами Viessmann.
Экономически обоснованная как для Германии, так и для Украины доля тепловой нагрузки, который покрывается за счет солнечной энергии, составляет для одно- и двухквартирных домов (небольшие солнечные системы) 50 - 60 процентов (на горячее водоснабжение), а для многоэтажных домов - 30 - 40 процентов (большие солнечные системы). При замещении части нагрузки на отопление указывается среднее (стандартное) значение, поскольку здесь доля замещения в большой степени зависит от теплотехнических характеристик Вашего здания.

Солнечные коллекторы Viessmann Vitosol

Солнечные коллекторы – это выгодное вложением денег в отопительную систему. Солнце – экологически чистый, возобновляемый и не требующий затрат источник энергии. Главное преимущество солнечных коллекторов производства Viessmann – высокий КПД. Он обусловлен применением самых передовых материалов, значительно уменьшающих потери на отражение энергии и поглощение её защитными поверхностями. Коллекторы Viessmann – это высокая эффективность, простой монтаж, удобство в работе и стильный внешний вид. Ещё одно важное достоинство – модульность конструктивного подхода, позволяющая собрать систему, подходящую под ваши персональные задачи.

Viessmann Vitosol 100-F

Плоский cолнечный коллектор для использования солнечной энергии.

Viessmann Vitosol 200-F

Плоский солнечный коллектор для любых видов установки: горизонтальной или вертикальной, на крышах и фасадах. Легко и просто монтируются. Могут покрывать большие площади, удовлетворяя повышенные потребности в солнечной энергии.

Viessmann Vitosol 200-T

Вакуумный прямоточный трубчатый cолнечный коллектор для систем отопления и приготовления горячей воды.

Viessmann Vitosol 300-T

Вакуумный трубчатый гелиоколлектор высокой эффективности, тип SP3A

Принцип работы солнечных коллекторов основан на поглощении ими солнечной энергии с передачей тепла протекающему через коллектор теплоносителю. Распространенной схемой применения является их использование в качестве вспомогательной системы горячего водоснабжения. Такой подход позволяет существенно снизить расход топлива и обеспечить бесперебойную подачу тепла для всех инженерных систем. В летний период гелиоколлекторы Висман способны полностью «взять на себя» снабжение вашего дома горячей водой.

Компания Виссман входит в число ведущих мировых производителей гелиоколлекторов. Продукция представлена двумя основными линейками – плоскими и вакуумными трубчатыми солнечными коллекторами.

Наиболее популярной моделью плоских коллекторов является Vitosol 100-F. В их конструкции задействованы самые современные технологические решения – абсорбер из меди высокой очистки с гелиотитановым покрытием, особое защитное гелеостекло, не подверженное нагреванию за счет своего химического состава с минимальным содержанием железа. Рамная конструкция из легкого, но высокопрочного сплава цинка и алюминия, стойкого к коррозии, позволяет монтировать коллектор на любую поверхность и даже встраивать его в плоскость крыши. Плюс к этому, продуманная система штекерных и сильфонных соединений не только облегчает сбор всего отопительного контура, но и даёт свободу в его конфигурировании и дальнейшем наращивании мощности.

К вакуумным трубчатым коллекторам относятся модельные ряды Vitosol 200 и Vitosol 300. Работа данного типа устройств основана на известном принципе тепловых трубок, с высокой эффективностью использующих тепловую энергию солнца. Трубчатые коллекторы могут быть смонтированы как вертикальном, так и горизонтальном положении, а удобная система штекерных разъёмов даёт возможность быстро и надёжно подключать отдельные трубки, для гибкого наращивания рабочей площади и, соответственно, продуктивности системы. Из достоинств эксплуатационного характера следует отметить нечувствительность к загрязнению поверхностей поглотителей, встроенных в герметичные колбы. После монтажа панелей отдельные трубки могут быть дополнительно ориентированы относительно солнца, что позволяет максимально рационально использовать солнечную энергию.

Солнечные коллекторы Висман обеспечат решение любых задач – от сезонного обеспечения горячей водой загородного дома до круглогодичного теплоснабжения целых комплексов.


Предлагаем Вам выбрать и приобрести Солнечные коллекторы Viessmann Vitosol в Региональном центре Висман. Специалисты помогут Вам определиться с подходящим Вашему проекту оборудованием и комплектацией индивидуального заказа по телефону 8 800 333-33-44 (бесплатно с телефонов РФ). Доставка осуществляется по всей России.

В региональном центре Вы можете не только купить отопительное оборудование премиум-класса, но и сделать комплексный заказ на проектирование, монтаж и пусконаладку. В этом случае вы получаете гарантию на проведенные работы сроком до 5 лет и дальнейшие скидки на сервис!

солнечных коллекторов | Министерство энергетики

Что такое солнечные коллекторы?

В электростанциях, концентрирующих солнечно-тепловую энергию (CSP), коллекторы отражают и концентрируют солнечный свет и перенаправляют его в приемник, где он преобразуется в тепло, а затем используется для выработки электроэнергии. В башенных (или центральных приемных) установках зеркала, известные как гелиостаты, отслеживают солнце по двум осям, причем каждый гелиостат обычно находится на своем основании, фундаменте и двигателе, чтобы направлять солнечный свет на приемник на вершине башни.В установках с параболическим желобом зеркала выравнивают внутреннюю часть решетки в форме желоба, которая следует за солнцем только в одном направлении и концентрирует свет на линейной приемной трубе. Узнайте больше о том, как работает CSP.

Почему так важны солнечные коллекторы?

Коллекторы - это отправная точка для преобразования солнечного света в энергию. Они должны быть спроектированы так, чтобы эффективно концентрировать свет при минимизации затрат на изготовление, установку и эксплуатацию. Коллекторы, которые могут экономически эффективно достичь высокой концентрации солнечного света, могут напрямую повысить эффективность приемника.В настоящее время коллекторы могут составлять 25 или более процентов от общих капитальных затрат системы для заводов CSP. Управление технологий солнечной энергии Министерства энергетики США (SETO) работает над снижением затрат на коллекторы с целью в 50 долларов за квадратный метр для высокоавтономных гелиостатов, чтобы достичь своей цели 0,05 доллара за киловатт-час для базовых станций CSP с минимум 12 часов хранения тепловой энергии. Узнайте больше о целях SETO в области CSP.

SETO Исследования в области солнечных коллекторов

SETO финансирует исследования и разработки в этой области с целью повышения производительности и снижения стоимости солнечных коллекторов и производства прототипов, демонстрирующих жизнеспособность передовых технологий для будущей интеграции в установки CSP.В частности, проекты, финансируемые SETO, работают над разработкой решений, которые позволят солнечным коллекторам работать в полной мере без участия человека, снижая эксплуатационные расходы и максимизируя эффективность сбора тепловой энергии. Некоторые из программ финансирования SETO включают проекты, ориентированные на солнечные коллекторы:

Чтобы просмотреть конкретные проекты солнечных коллекторов, выполните поиск в базе данных исследований солнечной энергии.

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше об исследованиях CSP, других исследованиях солнечной энергии в SETO, а также действующих и бывших программах финансирования SETO.

История CSP

Несмотря на то, что технология CSP является революционной в области возобновляемых источников энергии, в идее концентрации солнечной энергии нет ничего нового. Первое упоминание об использовании концентрации солнечной энергии происходит из Древней Греции, где Архимед в 214-212 гг. До н.э. в качестве оборонительной тактики использовал бронзовые щиты, чтобы сосредоточить солнечные лучи на вторгающихся римских кораблях, которые, согласно мифу, загорелись. . Было широко обсуждено, рассказывает ли миф правдивую историю или нет.Однако в 1973 году греческий ученый доктор Лоаннис Саккас доказал, выстроив в ряд 60 греческих моряков, держа в руках продолговатые зеркала с бронзовым покрытием, наклоненные для отражения солнечных лучей, и направил их на корабль, находящийся примерно в 200 футах, который в течение нескольких минут загорелся, что миф содержит научно устойчивые элементы.

Первое задокументированное использование технологии концентрированной солнечной энергии было в 1866 году, когда Огюст Мушу использовал параболические желоба для нагрева воды и производства пара для запуска первого солнечного парового двигателя.Ряд изобретателей применили эту технологию в последующие годы. В 1912 году в Миди, Египет, параболические солнечные коллекторы были установлены в небольшом фермерском сообществе Фрэнком Шуманом, изобретателем из Филадельфии, солнечным провидцем и предпринимателем. Параболические желоба использовались для производства пара, который приводил в действие большие водяные насосы, перекачивая 6000 галлонов воды в минуту на обширные территории засушливой пустыни.

Первая действующая концентрированная солнечная электростанция была построена в Сантлларио, Италия, в 1968 году профессором Джованни Франсиа.Эта установка имеет архитектурное сходство с современными установками с центральным ресивером, окруженным полем солнечных коллекторов. В 1982 году Министерство энергетики США вместе с промышленным консорциумом приступило к эксплуатации Solar One, демонстрационного проекта центрального приемника мощностью 10 МВт. В рамках проекта была установлена ​​возможность создания систем опорных башен. Четыре года спустя, в 1986 году, была введена в эксплуатацию крупнейшая в мире солнечная тепловая установка, расположенная в Крамер-Джанкшен, Калифорния. Солнечное поле состояло из рядов зеркал, которые концентрировали солнечную энергию в системе труб, по которым циркулирует жидкий теплоноситель.Жидкий теплоноситель использовался для производства пара, который приводил в действие обычную турбину для производства электроэнергии. В 1996 году Министерство энергетики США вместе с промышленным консорциумом начало эксплуатацию Solar Two - модернизацию своего проекта концентрирующей солнечной электростанции Solar One. Работавший до 1999 года, Solar Two продемонстрировал, как солнечная энергия может храниться эффективно и экономично, чтобы энергия могла производиться даже тогда, когда солнце не светит. Это также способствовало коммерческому интересу к силовым башням.

По состоянию на июнь 2010 года по всему миру было установлено 34 электростанции CSP общей мощностью 880,45 МВт. Страна с наибольшим количеством заводов - США, где установлено 16 заводов. Более того, в США сейчас планируется 36 новых проектов. Испания - самая активная страна: с 2007 года было установлено 12 новых станций. Кроме того, в Испании строятся 33 завода CSP и еще 17 запланированных проектов. Такие страны, как Алжир, Австралия, Египет, Франция, Индия, Италия, Мексика и Марокко, также строят концентрированные солнечные электростанции и присоединяются к будущему возобновляемой энергии.

10.1. Обзор солнечных тепловых энергетических систем

Пар веками использовался для выполнения механических работ. Паровозные двигатели, вероятно, являются одними из самых популярных машин, известных тем, что преобразовывают пар в механическую работу. Любая современная паровая турбина производит подобное преобразование с более высокой эффективностью преобразования энергии. Многие паровые турбины используются из-за их высокой эффективности при преобразовании энергии пара в кинетическую энергию вращения. Эта энергия вращения может быть далее использована для приведения в действие генератора электричества или любого другого процесса, для работы которого требуется механическая энергия.Исторически пар, необходимый для таких процессов, получали при сжигании ископаемого топлива, такого как уголь или природный газ, в то время как солнечная тепловая энергия использовалась экспериментально более века. Пар, который генерируется возобновляемыми методами (такими как солнечное излучение), идентичен пару, генерируемому при сжигании топлива для нагрева воды, а принципы преобразования солнечного тепла в механическую и электрическую энергию в основном аналогичны тем, которые используются в системах сжигания. Концентрирующие солнечные тепловые технологии лучше всего подходят для достижения высоких температур при более высоком давлении, одновременно удовлетворяя потребности крупномасштабных турбин, требующих значительного количества высококачественного пара. Общая стратегия преобразования энергии с использованием солнечной тепловой энергии представлена ​​на диаграмме ниже.

Рисунок 10.1: Схема типовой солнечной тепловой энергосистемы

Кредит: Марк Федькин

Солнечная энергия, полученная и преобразованная в тепло системой коллектора, передается теплоносителем в хранилище и далее в котел, где вырабатывается пар. Далее пар подается в турбину теплового двигателя, где он преобразуется в механическую энергию, а некоторое количество тепла отводится.Если электрическая мощность желательна, механическая энергия подается в генератор, где она преобразуется в электричество. На каждом этапе преобразования мы можем ожидать некоторых потерь из-за не 100% эффективности. Одна из проблем здесь заключается в том, что эффективность солнечных коллекторов уменьшается с увеличением рабочей температуры, в то время как эффективность теплового двигателя увеличивается при более высокой температуре (Duffie and Beckman, 2013). Поэтому необходима оптимизация для выбора условий работы системы. Обычно температуры, создаваемые плоскими коллекторами, слишком низки для того, чтобы тепловые двигатели были эффективными; таким образом, концентрирующие коллекторы (например, параболические системы) или откачанные трубчатые коллекторы являются более предпочтительным выбором.

В основные конфигурации солнечных тепловых электростанций входят:

  • Параболические желоба
  • Параболическая тарелка
  • Центральный ресивер (силовая башня)
  • Солнечная восходящая башня

Вы можете повторно посетить эти технологии на веб-сайте Energy Information Association

Общий КПД системы преобразования энергии складывается из КПД солнечных коллекторов (с параболическими желобами, макс. ~ 75%), КПД теплового двигателя (~ 35%).За вычетом потерь на поле типичный средний общий КПД солнечных тепловых электростанций составляет около 15-20%.

На следующих страницах этого урока вы познакомитесь с различными типами и конструкциями систем.

Основы солнечной энергии | Понимание солнечной энергии

Доступны два типа технологий солнечных коллекторов:

  1. Солнечная тепловая энергия (STE) использует для нагрева бассейнов на солнечной энергии и для нагрева воды на солнечной энергии .Системы солнечной тепловой энергии обычно имеют одно применение (например, обогрев бассейна),
  2. Фотоэлектрические солнечные батареи (PV) преобразуют солнечный свет в электричество для любого дома или коммерческого здания .

Солнечная тепловая энергия (STE)

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

Как работает солнечная тепловая энергия?

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

Каковы виды использования солнечной тепловой энергии? Обычно STE используется для:
  • Отопление коммерческих и жилых бассейнов
  • Отопление горячей водой
  • Крупномасштабное производство электроэнергии.Новое солнечное поле, устанавливаемое OUC, является примером солнечной тепловой энергии.

Низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные солнечные коллекторы

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

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

Фотоэлектрическая (PV) Солнечная

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

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

Solar Thermal 101: Введение в солнечную тепловую энергию (STE)

Solar Thermal Energy (STE) - это тип солнечной технологии, используемой для сбора солнечной энергии для производства тепловой энергии (тепла).

Эти типы коллекторов представлены в различных технологиях и предназначены для солнечных коллекторов с низкой, средней или высокой теплотой.Низкотемпературные типы обычно используются для обогрева плавательных бассейнов или отопления помещений. Типы со средним нагревом обычно используются в коммерческих или жилых помещениях для нагрева горячей воды или обогрева помещений. ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Это обычно называется солнечной горячей водой (ГВС). Высокотемпературные типы обычно используются для генерации пара для работы генераторов для выработки электроэнергии и использования концентраторов, обычно зеркал или линз, для достижения очень высоких температур. Общая идея всех этих технологий заключается в том, что они нагревают воду до различных уровней температуры в зависимости от требований.Конечный результат может быть использован для фактического использования горячей воды, выработки электроэнергии, обогрева помещения или технологического тепла. В зависимости от требований существуют как пассивные, так и активные системы.

Ниже описаны типы солнечных водонагревательных систем:

  • Пассивный: для циркуляции воды используется естественная конвекция, а не электроэнергия.
  • Активно: требуется электроэнергия для активации насосов, элементов управления и связанных систем.
  • Direct: нагревает питьевую воду непосредственно в коллекторе.
  • Косвенный: нагревает пропиленгликоль или другой теплоноситель в коллекторе и передает тепло питьевой воде через теплообменник для использования в коммерческих или жилых помещениях.

Солнечные тепловые коллекторы делятся на категории низко-, средне- и высокотемпературных коллекторов:

  • Низкотемпературные коллекторы обеспечивают низкотемпературное тепло (менее 110 градусов по Фаренгейту) через металлические или неметаллические поглотители.Они используются в таких приложениях, как обогрев плавательных бассейнов и низкопотенциальная вода и обогрев помещений.
  • Среднетемпературные коллекторы обеспечивают получение тепла средней степени (выше 110 градусов по Фаренгейту, обычно от 140 до 180 градусов по Фаренгейту) либо через застекленные плоские коллекторы, использующие воздух или жидкость в качестве инструмента для теплопередачи, либо через коллекторы-концентраторы, которые концентрируют падающее тепло изоляция больше, чем «одно солнце» [2]. В основном они используются для нагрева воды для бытового потребления.Коллекторы с вакуумными трубами также входят в эту категорию.
  • Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелочные или желобные коллекторы, предназначенные для работы при температуре 180 градусов по Фаренгейту или выше и в основном используются коммунальными предприятиями и независимыми производителями электроэнергии для выработки электроэнергии для сети. Их также можно использовать для абсорбционного охлаждения.

Рейтинг производительности солнечного теплового коллектора представляет собой аналитически полученный набор чисел, представляющих характеристическую выходную мощность солнечного теплового коллектора в течение всего дня при стандартных номинальных условиях, измеренную в британских тепловых единицах на квадратный фут в день (британские тепловые единицы на квадратный фут в день).В 2008 году средняя оценка тепловых характеристик солнечной энергии для низкотемпературных коллекторов (металлических и неметаллических) составляла 1196 БТЕ / фут2 в день, для среднетемпературных (воздух) - 864 БТЕ / фут2 в день, для среднетемпературных (ICS / термосифон) - 894 БТЕ. / фут2 в день, средняя температура (плоская пластина) составляла 988 Btu / ft2 в день, средняя температура (откачанная трубка) составляла 958 Btu / ft2 в день, средняя температура (концентратор) составляла 1173 Btu / ft2 в день, а высокая - температура (параболическая тарелка / желоб) составляла 828 БТЕ / фут2 в сутки.

Высокотемпературные коллекторы, отгруженные в основном для концентрирующей солнечной энергии (CSP) для коммунальных предприятий, составили 388 тысяч квадратных футов, что составляет более 2 процентов от общего объема поставок в 2008 году.Перспективы значительного роста высокотемпературных коллекторов благоприятны. В связи с растущим давлением, требующим соблюдения заявленных ими целей портфеля возобновляемых источников энергии, коммунальные предприятия США рассматривают CSP как способ крупномасштабного производства возобновляемой энергии. Калифорнийская энергетическая комиссия (CEC) в настоящее время рассматривает ряд предложений CSP, которые были публично объявлены или по которым были сделаны официальные заявления о намерениях. И ЦИК ожидает большего в ближайшем будущем.

Передовые производственные технологии и экономия на масштабе промышленного производства привели в последние годы к значительному сокращению затрат на все вышеперечисленные солнечные тепловые технологии.

технологических достижений для максимального увеличения выработки энергии солнечными коллекторами: обзор | J. Electron. 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 импульс отказаться от использования 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, существует несколько технологий, которые могут использовать солнечную энергию исключительно в качестве 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 кратко рассказывается о возможных способах решения проблем или трудностей, существующих в солнечных коллекторах, таких как солнечная селективность, термостабильность и т. Д. В качестве ключевой технологии, позволяющей снизить потери радиационного тепла в этих устройствах, в центре внимания этого документа находится обсуждение текущих достижений. в солнечных селективных покрытиях и рабочих жидкостях, которые потенциально могут использоваться в тандеме для фильтрации или рекуперации тепла, которое теряется от фотоэлектрических модулей. 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 солнечным светом 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 земной поверхности 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. Суммарная выходная мощность Солнца составляет 3,8 × 10 23 МВт, из которых 1.7 × 10 14 кВт падает 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. Фотовольтаика (фотоэлектрические установки) демонстрировала 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 фотоэлектрических пластин по сравнению с ∼7 × 10 6 м 2 м2 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 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 фотоэлемента.

Хотя существует множество полупроводниковых материалов, которые работают как фотоэлектрические материалы - например, фотовольтаические.g., 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 В других [8] технология моно- и поликристаллического кремния, похоже, выиграла коммерческую битву [9], с 95,5% долей в мировом производстве фотоэлектрических модулей в 2017 году (остальные 4,5% - это тонкопленочные технологии, а именно CdTe и CI (G ) S, но и аморфный кремний) [10]. Чтобы подчеркнуть, насколько далеко продвинулась эта технология за последние 6 десятилетий, в 1958 году эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую для 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 за Вт [10]. Из-за высокой начальной стоимости фотоэлектрических элементов технология изначально была ограничена космическими приложениями (с очень высокоэффективными ячейками , все еще ограниченными 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 $ / м 2 ), 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 более 80% света, который не извлекается в качестве полезного электричества [1]. Как правило, повышение температуры кремниевого фотоэлемента снижает его эффективность на 0,25–0,8% на ° C по сравнению со стандартными условиями испытаний 25 ° C, в зависимости от его состава (тип n или тип p ). , монокристаллический или мультикристаллический, концентрация примесей и дефектов) [26–29].Поэтому охлаждение этих панелей часто рассматривается как повышение эффективности этих панелей.

Солнечный тепловой коллектор - это особый вид 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.ж., линейно-сфокусированный и точечно-сфокусированный), а рабочий механизм солнечной ТЭЦ показан на рис. 1. Из него видно, что солнечное излучение фокусируется на приемник с помощью гелиостатов, за счет чего рабочие жидкость в ресивере 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, поскольку 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 другом диапазоне, кроме указанного, 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 подвержена влиянию 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 с 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 Рис. 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 мкм м) и 0% поглощающую способность выше длины 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 представляет собой компромисс между способностью поглощения солнечного излучения и радиационными потерями от селективного покрытия, а поглощающая способность и коэффициент излучения не являются взаимно независимыми друг от друга. Чтобы оптимизировать характеристики поверхности с селективным солнечным излучением, необходимо найти компромисс между поглощением и излучением поверхностей. Поглощающая способность ( A sa ) идеального солнечного селективного покрытия для различных длин волн отсечки рассчитывается с использованием уравнения.(3) ниже и показан на рис. 3.

Кроме того, эффективная излучательная способность как функция температуры поверхности для различных длин волн отсечки оценивается по формуле. (4), а расчетный коэффициент излучения показан на рис.4

Asa = ∫0λcutoffαλ Qλdλ∫02,5μmQλdλ

(3)

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

(4)

, 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 излучением, и эти цифры показывают, что существуют теоретические пределы поглощательной способности и излучательной способности селективного покрытия от солнца. 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.

Производительность 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 поглотителя 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 потенциал 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: первая основана на принципе покрытий DMD, а другая - на однослойных оксидах 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 сверху селективное солнечное покрытие, обеспечивающее высокую степень поглощения 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]: Собственный поглотитель использует единственный 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]: он 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 многократные 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, ИК-отражающего покрытия 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 материалов этого диапазона температур, таких 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 уложенных слоями 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 принцип действия покрытий DMD, Khelifa et al. [97] исследовали способ изготовления, а также структурные и оптические свойства солнечного поглотителя 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. Принимая во внимание, что 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 др. [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 дальнейших 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 содержание кислорода играет решающую роль; 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 высокий коэффициент поглощения солнечного излучения α = 0.905–0,923 и низкое тепловое излучение ε 82 ° C = 0,07–0,09, тогда как на подложке из нержавеющей стали они достигли α = 0,902–0,917 и ε 82 ° C = 0,15–0,17. Покрытие HfO x / Mo / HfO 2 на подложке из меди и нержавеющей стали 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, поскольку 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 (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) как диффузионного барьера на оптические свойства и термическую стабильность поглотителя солнечной энергии из 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 к верхнему слою включает три поглотителя: (TiAlC / TiAlCN / TiAlSiCN), полупрозрачный слой (TiAlSiCO) и антибликовый слой (TiAlSiO) последовательно.От нижнего (TiAlC) до верхнего слоя (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 снижении 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 дырки, вакансии, междоузлия 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; тепловая эмиссия 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 отметить, что необходимо провести исследования антиотражающих свойств покрытия, поскольку антиотражающий слой наверху позволяет покрытию поглощать максимальные солнечные спектры. Дэн и др. [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 поглотительные 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 для широкого диапазона углов падения от 18 до 58 градусов тандемный поглотитель (W / WAlN / WAlON / Al 2 O 3 покрытие) демонстрирует высокий коэффициент 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 можно использовать 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 термостабильно на воздухе до 350 ° C в течение 1000 часов и в вакууме до 450 ° C в течение 1000 часов 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 однослойного 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 как: 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 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 тепло 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 (такие как 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 облегчения прохождения потока (например, пассивно усиливая естественную конвекцию в интегрированных фотоэлектрических системах здания или уменьшая 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 меньшее падение 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.Подробный 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 оребрениями 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. Более 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 абсорбера в виде волнистой внутренней поверхности (сходящаяся-расходящаяся трубка абсорбера), 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 солнечных приложениях, таких как солнечные установки (опреснение) и солнечное нагревание воздуха. Самуэль Хансен и др. [126] экспериментально проанализировали влияние использования поглотителей специальной конструкции (прикрепленных ребрами или выгравированных 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 перегонного куба, изменив 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, так как тонкий слой соленой воды постоянно 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. 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 сконцентрирована 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 наиболее заметных решений по значительному сокращению 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 описать 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 высокое, 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 отражательных 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 методами, а именно, нанесением покрытия погружением, травлением, а третий метод включает альтернативное выполнение первых двух методов. Для метода 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. Отжига 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 диоксиды 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 интерференционных пакетов 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, и 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 недоступности 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 сделать вывод, 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 в качестве многообещающего способа 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 низких 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 за счет избирательного поглощения, а также за счет конвективного охлаждения. В этих системах жидкости не обязательно должны быть на водной основе (хотя водородные связи хороши для стабильности, но можно легко использовать органическую жидкость).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 по отношению к солнечному свету (высокое поглощение солнечного излучения и низкий коэффициент теплового излучения) и проявлять повышенную эффективность поглощения благодаря настраиваемой форме и размеру наночастиц (НЧ), соответствующих применению [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 расплавов солей HTF, Zhang et al. В работе [152] была предпринята попытка улучшить термические свойства карбонатной тройной фазы с помощью фторида лития (LiF) с использованием метода статического плавления.Кроме того, Zhang et al. [153] подготовили и провели улучшение термических свойств расплавов солей путем добавления наночастиц Al 2 O 3 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 переменной 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. Точно так же Тейлор и др. [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 НЧ оксида металла не подвержены влиянию более высоких рабочих температур, и, таким образом, эти НЧ 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 использования 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 по этому поводу, 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 увеличению 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 (как фотоэлектрических, так и тепловых), устройства слежения за солнечным светом очень важны 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 известных 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 контактирует 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 степень поглощения солнечного излучения 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 - керметового покрытия 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.

В дополнение к оптическим свойствам, 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 термостойкости 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.

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.

Солнечная энергия - WaterStillar

Нагрейте и охладите свой дом. Нагрейте воду для купания. Сделайте электричество.
А теперь: сделать чистую питьевую воду
.

Солнечные коллекторы - тепло или электричество?

Мы используем тепловых солнечных коллекторов для сбора энергии для процесса дистилляции. Эта (старая) технология проста и намного эффективнее фотоэлектрических панелей (примерно в 4-5 раз) для нагрева / испарения воды.В основном есть 2 типа солнечных коллекторов: плоские пластинчатые и вакуумные трубки. Для высоких температур предпочтительны вакуумные лампы, поскольку практически исключаются потери тепла в окружающую среду.

Вакуумные лампы бывают «тепловыми трубками» или «U». Они выглядят точно так же, но отличаются изнутри. U-образный тип представляет собой непрерывную трубу, которая входит / выходит из всех стеклянных трубок, тогда как вакуумные тепловые трубки (EHPT) состоят из нескольких вакуумированных стеклянных трубок, каждая из которых содержит пластину абсорбера, соединенную с тепловой трубкой.Тепло передается теплоносителю системы WaterStillar в теплообменнике, который называется «коллектор». Коллектор обернут изоляцией и закрыт защитным кожухом из листового металла.

Доказано, что вакуум внутри вакуумированных трубчатых коллекторов сохраняется более 25 лет, отражающее покрытие конструкции заключено в вакуум внутри трубки, который не будет ухудшаться до тех пор, пока вакуум не будет потерян. Вакуум, который окружает внешнюю часть трубы, значительно снижает потери тепла конвекцией и теплопроводностью, что позволяет достичь большей эффективности, чем у обычных плоских коллекторов, особенно в более холодных условиях.

WaterStillar использует в основном тип тепловых трубок (хотя U-образный немного более эффективен), который имеет сухое соединение между солнечной вакуумной трубкой и коллектором, что позволяет очень легко заменять трубки. Замена трубки производится при работающей системе и отсутствует риск потери давления или выливания горячей воды. Также проще перевозить целый коллектор.

КПД и тип солнечного коллектора

Солнечные коллекторы с тепловыми вакуумными трубками имеют КПД примерно 60-80% при высоких температурах.По сравнению с КПД фотоэлектрической панели примерно 10-18%, тепловые коллекторы - очевидный выбор. Оба эти числа основаны на предположениях, и отрасль разработала стандартизированные тесты, чтобы сделать коллекторы сопоставимыми, но короче говоря, тепловые солнечные коллекторы в 3-4 раза эффективнее, чем солнечные фотоэлектрические

.

Время запуска любой системы WaterStillar имеет решающее значение. Время до того, как солнечный коллектор станет достаточно горячим, чтобы достичь производственных температур, может занять много времени, и тем временем производственное окно становится меньше.Поэтому все системы предназначены для быстрого запуска и использования энергии. Обратной стороной является то, что как только солнце садится, производство воды также прекращается - в качестве альтернативы включается электрический нагреватель.

В дневное время солнечный коллектор (-ы) будет обеспечивать достаточно энергии для работы системы. В ночное время система WaterStillar либо полностью остановится, либо будет работать с терморегулятором и электронагревателем. Для работ это обязательно; для семьи это вариант.

Солнечная дистилляция - старые новости!

Самые ранние зарегистрированные солнечные установки относятся к середине 18 века - шахтеры в Лас-Салинас, Чили, получали питьевую воду из солнечных установок в 1870 году.См. Картинку выше. Сегодня солнечные установки по-прежнему являются нишевым продуктом, поскольку фильтры и глубокие колодцы с грунтовыми водами обеспечивают пресную воду в большинстве мест. Есть много разных солнечных батарей, большинство из них недоступны на рынке.

Дистилляция воды довольно проста. Черный ящик с наклонной стеклянной крышкой и желобом для сбора отходов - это традиционный бассейн на солнечных батареях, как показано на снимке из Лас-Салинас

.

Энергия солнца позволяет испарить определенный объем воды, а эффективность солнечных перегонных станций часто измеряется газовым фактором (коэффициент увеличения мощности) - соотношением, показывающим, сколько дистиллированной воды производится с помощью какой мощности.Солнечная энергия определенного дня в определенном месте легко измеряется. Количество энергии, необходимое для испарения воды при определенном давлении, хорошо известно. Эти 2 фактора дадут определенную эффективность солнечного перегонного куба - упрощенный пример: дневное излучение в жарком и солнечном месте составляет 6 кВтч на м2 и требуется около 650 Вт для испарения 1 литра воды - тогда суточная мощность составляет / 0,65) 9 литров на 1 м2 будут означать 100% эффективность или значение газового фактора 1.

Производительность простых фотоустановок на солнечных батареях всегда ниже 100%.Типичная производительность составляет 1-4 л / м2 / день. В этих системах есть некоторые проблемы: когда стекло становится молочным, эффективность просто снижается, а потеря тепловой энергии - еще одна проблема.

Улучшить эту небольшую сумму можно разными способами. Отражатели, наклонная конструкция, вентиляторы, проточные фитили, тепловые солнечные коллекторы, изоляция, активное охлаждение, мультиэффектный дизайн, аккумулирование тепла и этот список можно продолжить. ( REF: П. Вишванат Кумас и др., 2015, ). Добавление этого к бассейну по-прежнему улучшает производительность, но к уравнению добавляются также стоимость и сложность.

Наиболее энергоэффективными являются мультиэффектные солнечные установки (например, WaterStillar Works). WaterStillar Family - это улучшенный перегонный куб. Оба используют высокопроизводительные тепловые солнечные коллекторы, что устраняет некоторые конструктивные проблемы с классическим типом бассейна.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *