Работа солнечного коллектора: Солнечный коллектор: открытый, вакуумный, плоский. Принцип работы

Содержание

Работа солнечного коллектора / ППУ XXI ВЕК – Напыление ППУ

Вопрос, сколько тепла вырабатывает солнечная установка, интересует многих. Попробуем разобраться.

Количество теплоты, получаемое солнечной установкой в солнечный день, определяется следующими двумя факторами:

1.         имеющейся инсоляцией, которую определяет местоположение объекта (географическая широта и долгота), установка коллектора и время года

2.         от КПД солнечного коллектора.Существуют расчеты инсоляции на наклонную поверхность. А вот как рассчитать КПД коллектора при определенной рабочей температуре, приведено ниже.

Термические и оптические потери при работе солнечного коллектора.

Оптические потери составляют обычно от 14% до 21%, а термические зависят от температуры и могут заметно превысить оптические.

Потеря тепла солнечного коллектора.

В идеале, солнечный коллектор должен получать (абсорбировать) все излучаемое количество теплоты и передавать ее жидкости, которая течет по солнечному коллектору.

По причине обязательного использования стеклянных частей и высокой температуры коллектора в сравнении с окружающей средой, потери тепла неизбежны. Вот их примерный список:

1. отражение солнечного излучения верхней частью стеклянного покрытия коллектора (1,5-4%).

2. поглощение стеклянным покрытием (1%).

3. отражение солнечного излучения нижней частью стеклянного покрытия (1,5-4%).

4. отражение абсорбером (5%).

5. эмиссия теплового излучения из абсорбера (5-12%). Эти потери определяются как оптические и зависят от угла падения солнечных лучей. Приведенные проценты рассчитаны для вертикального положения коллектора. При наклонном расположении следует ожидать еще более высокие потери. В зависимости от коллектора оптические потери составляют 14-21%.

Наряду с ними существуют и термические потери:

1. диффузное излучение тепла и

2. конвекция (нагрев внешнего воздуха), которая проявляется тогда, когда коллектор теплее окружающей среды. 2) ватт разделить на квадратный метр, умноженный на Кельвин в квадрате. Это кажется очень запутанным, поэтому в Интернете очень часто встречаются ошибки в расчетах. А идея на самом деле проста: надо умножить к1 на разницу температур в Кельвинах, тогда получается излучаемое коллектором количество теплоты в Ваттах. К сожалению, соотношение потери тепла к разнице температур не линеарно. И расчеты при большой разнице температур не дают верный результат.

Чтобы избежать ошибки используют к2, который меньше к1, но умножается на квадрат разницы температур k2*dT*dT.Оба коэффициента показывают тепловые потери в ваттах на метр квадратный. qm = k1 * dT + k2 * dT * dT.

Чтобы рассчитать необходимое количество тепла, сначала надо умножить мощность солнечного излучения (В Ваттах на метр квадратный) с оптическим КПД η0, и вычесть из результата термические потери

Необходимое тепло (W/qm) = излучение (W/qm) * η0 — k1*dT — k2*dT*dT

ПРИМЕР

Излучение солнечного коллектора составляет 800W/qm, температура солнечного коллектора 90°C и КПД η0=80%, коэффициенты составляют k1=4W/m/K и k2=0. 01W/m/K2, температура окружающей среды  25°C, тогда разница температур составляет dT=90-25=65.

Необходимое тепло = 800 * 0.8 — 4*65 — 0.01*65*65 = 338 W/qm Чтобы рассчитать количество энергии, которое можно получить в солнечный день при помощи солнечного коллектора, необходимо знать точные показатели температуры коллектора и различие мощности излучения в течение дня.

Принцип работы солнечного вакуумного коллектора для отопления

Альтернативные источники энергии в последнее время собирают вокруг себя все больше внимания. Солнечные коллекторы стали отличным способом экономии на оплате коммунальных счетов и получения частичной энергонезависимости. В этой статье мы рассмотрим принцип работы солнечного коллектора и его виды.

Солнечные коллекторы — это источник альтернативной энергии, принцип работы которого заключается в преобразовании световой солнечной энергии в тепловую.

Существует 2 основных вида солнечных коллекторов, а именно:

  • вакуумные;
  • плоские

Принцип работы плоского солнечного коллектора для отопления и водонагрева

Самой популярной гелиосистемой является плоский коллектор. Он получил признание за его эффективность в летнее время года, а также более низкую стартовую стоимость.

Конструкция изделия предусматривает такие элементы:

  • плоский абсорбер, имеющий темный цвет;
  • изолирующее прочное стекло, выступающее в роли теплоизоляционного слоя;
  • теплообменник, отводящий тепло от абсорбера;
  • теплоизоляционная подложка.

Принцип работы заключается в следующем. Свет проходит сквозь стекло, нагревая поглотитель, трансформирующий световую энергию в тепловую. Теплоноситель нагревается и отдает тепло.

Принцип работы плоского солнечного коллектора для водонагрева и отопления

Вакуумный солнечный коллектор является усовершенствованной версией плоского. Главная идея разработки — улучшить теплоизоляцию и снизить теплопотери. В конструкции изделия есть несколько вакуумных стеклянных трубок, которые предусматривают поглощающую пластину, соединенную с тепловой трубкой. Она нагревается, в результате чего нагревается и теплоноситель. Вокруг трубки находится вакуум, который позволяет уменьшить теплопотери. Благодаря этому вакуумные гелиосистемы считаются более эффективными для холодного климата.

Если у Вас остались вопросы, касающиеся принципа работы солнечных коллекторов, Вы всегда можете получить БЕСПЛАТНУЮ исчерпывающую консультацию от специалистов компании “Вольт и Джоуль”!

Для этого достаточно позвонить к нам по номеру телефона, указанному на сайте.

← Предыдущая статья Следующая статья →

Работа солнечного коллектора зимой

Альтернативные источники энергии часто удивляют, ведь в попытке сэкономить, люди покупают различные интересные высокотехнологичные решения. Солнечные коллекторы являются лучшим способом отапливать дом в зимний период года, но скептики откровенно смеются с данного решения для российских зим. В некоторых регионах нашей страны зима длится примерно по 6–7 месяцев, а небо плотно укрыто облаками. Поэтому начинаются банальные насмешки, что нужно будет отапливать ещё и поверхность устройства, чтобы его не разорвало льдом. Чтобы сразу рассеять все сомнения, скажем, что подобные решения широко используются, например, в Норвегии. Большое количество различных систем подобного рода обладает своеобразной защитой, там всё продумано, а для хорошего коллектора солнце светит круглогодично, кроме исключительно плотных снежных буранов и грозовых облаков. Но даже в такие неблагоприятные погодные условия солнце сквозь тучи даёт достаточно тепла, чтобы устройство не замерзло.

Ещё одним доводом скептиков является то, что система может быть полностью засыпана снегом зимой, в результате чего она станет совершенно бесполезной в использовании. Но за ними нужно следить, а также можно предусмотреть систему автоматического оттаивания.


Если говорить честно

Зимой солнечный коллектор работает, но с определенными особенностями. Естественно, что его эффективность сильно снижена, но он всё равно продолжает продуцировать достаточно большое количество тепла, необходимого для обогрева помещений.

Полного объёма, как летом, он может не производить, но это всё равно разумная экономия. Даже если уровень холода доходит до -25–40 градусов, можно ожидать нагрева до 30–50 градусов. Останется лишь добавить +30 единиц при помощи дополнительного подогрева. Но этого хватит, чтобы ощутить реальную экономию.

Для защиты против обледенения работает система, схожая с тем, как защищают лопасти вертолёта от налипания льда. Это небольшие ТЭН, проложенные зигзагом по всей поверхности. Они потребляют около 50 Ватт на 1 квадратный метр площади, но зато могут полностью слить весь лёд. Либо они могут убрать его до уровня, достаточно для просвечивания и самостоятельно оттаивания. Владельцы должны убирать толщу снега, чтобы обеспечить эффективность. Это реалии нашего климата, а автоматизированных систем для решения данной задачи до сих пор не придумано.


Стоит упомянуть также о таком неприятном природном явлении, как град. Он никак не грозит большинству солнечных систем, ведь они рассчитаны на большую нагрузку. На форумах имеется множество мифов о разрушении градинами трубок вакуумных трубок и площадей щитов, но нам достоверно неизвестно ничего о подобных инцидентах. Единственным природным явлением, способным деформировать устройство, является накопленный снег и лёд, расширяющийся в момент замерзания после оттепели. От него необходимо избавляться как можно скорее. Ещё один повреждающий реальный фактор – это бьющие по поверхности тяжелые ветви деревьев. Просто подрезайте их своевременно, чтобы избежать дорогостоящего ремонта.

Чтобы производить зимнюю чистку, постарайтесь приспособить удобную безопасную лестницу. Большинство владельцев коллекторов приваривает стационарное сооружение, а чтобы никто не мог залезть на крышу, делают нижний сегмент съёмным на болтах или специальных зажимах.

Где приобрести эти решения

Наша компания «ПрофЭлектро» предлагает широкий выбор климатической техники, позволяющей отапливать и охлаждать ваше жилище очень качественно. Тепловые коллекторы являются далеко не единственным решением, мы можем предложить целый ряд различных эффективных систем, позволяющих экономить тепло зимой. Например, вы можете приобрести высококачественные теплые полы. Всё это направлено на снижение финансовой нагрузки на ваш кошелёк. Если вы до сих пор не отказались от централизованной нагрузки, то самое время сделать это прямо сейчас. Мы имеем большое количество рациональных решений, поставляемых напрямую от производителей. Это обеспечивает сравнительно невысокую стоимость и возможность получения настоящих исполняемых гарантийных обязательств.

Горячее водоснабжение в Хабаровске по низким ценам!

Описание и принцип работы солнечного коллектора

Вакуумные солнечные коллекторы

Оптимальный вариант использования энергии солнца в наших климатических условиях

Назначение солнечного коллектора – это преобразование солнечной энергии в тепловую. Учитывая, что режим работы солнечного коллектора КРУГЛОГОДИЧНЫЙ, а ресурс работы 20 лет, его установка более чем оправдана.

Как правило, солнечный коллектор работает по следующему принципу: по максимуму обеспечить горячей водой, и излишки тепла отдать в основную систему отопления, работающую на традиционном нагревательном оборудовании. Подобная совместная работа, позволяет в холодное время года снизить нагрузку на котел отопления до 40-60%.

Как работает солнечный коллектор

Солнечная энергия, улавливается через систему вакуумных трубок коллектора. Конструкция их похожа на термос: в трубку из ударопрочного стекла, способного выдержать удары града большого диаметра, вставлена трубка меньшего диаметра. Между ними вакуум, который представляет совершенную термоизоляцию. Внутренняя трубка покрыта специальным селективным слоем, который максимально поглощает солнечную энергию, а вакуум препятствует потерям тепла. В центре этой конструкций находится медная запаянная трубка, которая содержит небольшой объем легкокипящей жидкости. Она и служит нагревательным элементом солнечного коллектора.


Рисунок 1. Вакуумная трубка солнечного коллектора

Под воздействием тепла, легкокипящая жидкость испаряется и пары ее поднимаются в верхнюю часть – наконечник, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура (незамерзающей жидкости). Данная трубка устойчива к замораживанию и способна работать до -50°С. Испарение жидкости начинается при достижении температуры внутри трубки +30°С. При меньшей температуре трубка «запирается» и дополнительно сохраняет тепло. Такие трубки функционируют и в пасмурную погоду, и при отрицательной температуре — они преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло.


Рисунок 2. Нагрев теплообменника вакуумного солнечного коллектора

Подключение вакуумного солнечного коллектора к системе

В свою очередь, незамерзающая жидкость, циркулирующая через теплообменник солнечного коллектора, поступает в контур емкостного водонагревателя (бойлер косвенного нагрева), посредством которого происходит нагрев горячей воды до момента ее использования. Параллельно, в бойлер, устанавливается электрический ТЭН, чтобы в случае понижения температуры ниже установленной (например, из-за продолжительной пасмурной погоды) он донагревал воду.


Рисунок 3. Схема подключения вакуумного солнечного коллектора

Выбирая солнечный коллектор, Вы обеспечиваете себя дешевой тепловой энергией от Солнца, а высокоэффективные вакуумные трубчатые солнечные коллекторы помогут Вам это сделать. Гелиосистемы, предлагаемые нашей компанией – это идеальное сочетание цены и качества, удобства и эффективности для нагрева горячей воды и отопления Вашего дома.

Солнечный коллектор — это еще один шаг к Вашей независимости и энергетической безопасности!

Варианты установки солнечных коллекторов


Рисунок 4. Установка вакуумного солнечного коллектора на фасаде дома


Рисунок 5. Установка вакуумного солнечного коллектора на крыше


Рисунок 6. Установка вакуумного солнечного коллектора на земле

Солнечный коллектор — обзор

2.2 Влияние освещения и температуры на электрические характеристики элементов

Конвекционные солнечные коллекторы PV / T обычно состоят из двух частей: поглотителей солнечного излучения и теплоотводов. Доля площади пластины поглотителя, покрытой фотоэлементами, выражается в коэффициенте упаковки ячеек, PF . PF коллектора PV / T определяется как доля площади, занимаемой ячейками, от общей площади поверхности модуля (рис.3). В частично заполненной конструкции промежутки между соседними рядами ячеек позволяют части падающего солнечного излучения проходить и поглощаться непосредственно вторичной пластиной поглотителя (Aste et al., 2003). PF в PV / T-системах выбирается в зависимости от выходной нагрузки, будь то электрическая нагрузка (приоритетный электрический режим, EPO) или тепловая нагрузка (термический приоритетный режим, TPO) (Fujisawa and Tani, 1997). EPO имеет более высокий коэффициент упаковки (обычно ≥ 0,7), поэтому электрическая мощность оптимизируется, в то время как TPO имеет более низкий коэффициент упаковки, следовательно, оптимизирован для термического производства.Фотоэлементы имеют более высокую стоимость по сравнению с другими компонентами фотоэлектрического коллектора, и при нормальных обстоятельствах приоритет отдается электроэнергии. С другой стороны, TPO очень сильно зависит от прямого поглощения вторичным поглотителем солнечного излучения, которое проходит через промежутки между ячейками, чтобы увеличить отвод тепла от задней части ячеек. Таким образом, PF определяет соотношение электричества к теплу и характеризует практическое использование фотоэлектрических модулей, причем фотоэлементы являются основной частью системы.

Рис. 3. Коллекторы PV / T с разным коэффициентом упаковки (PF) вставленных ячеек (100% слева, 25% справа).

Кривые «ток-напряжение» ( IV ) используются для характеристики освещенных фотоэлектрических систем, а типичная кривая IV показана на рис. 4A, где V oc — напряжение холостого хода, I sc — это ток короткого замыкания, В mp — максимальное напряжение и I mp — максимальный ток, как показано.Точка, в которой произведение I mp и V mp является максимальным, является точкой максимальной мощности (MPP), которая дает максимальную мощность, P max , от солнечного элемента для преобладающей погоды. условия и сопротивление нагрузки. Коэффициент заполнения, FF солнечного элемента определяется как:

Рис. 4. (A) Кривая I-V солнечного элемента с подсветкой и (B) эквивалентная схема.

(1) FF = Vmax × ImaxVoc × Isc

Характеристики солнечных элементов I-V можно описать численно, рассматривая эквивалентную схему элемента на рис.4B, который моделируется как источник тока, подключенный параллельно диоду, представляющий p-n переход. Из рис. 4B выходной ток I равен разнице между генерируемым фотонами током I ph и током диода I d как:

(2) I = Iph −Id

Ток диода, I d дается уравнением диода:

(3) Id = IoexpqVkT − 1

Подставляя уравнение. (2) в уравнение. (3) дает:

(4) I = Iph − IoexpqVkT − 1

, где I o — обратный ток насыщения диода, q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана и T — абсолютная температура ячейки (K).Уравнение (3) количественно описывает характеристику I-V любой фотоэлектрической системы. Когда ячейка замкнута накоротко, так что В = 0 в уравнении. (4) ток короткого замыкания протекает в обратном направлении по сравнению с током в фотоэлементе со смещением и определяется выражением:

(5) Isc = Iph

Когда нет смещения, то есть нет нагрузки или разомкнутой цепи, тогда I = 0, и напряжение холостого хода получается из уравнения. (4) как:

(6) Voc = kTqInIphIo + 1

Таким образом, уравнения (5) и (6) показывают, что I sc прямо пропорционально I ph и V oc логарифмически изменяется с I ph , следовательно, эффективная интенсивность солнечного излучения.Кривые I-V любого фотоэлектрического устройства в основном зависят от солнечного излучения и рабочей температуры элемента (рис. 5). Электрический КПД элемента падает с повышением температуры, в основном из-за уменьшения В oc , обычно -2,3 мВ / ° C для ячеек с кристаллическим Si (Markvart, 2000). Повышение температуры фотоэлемента имеет тенденцию к увеличению I sc , но незначительно (≈ 6 мкА / ° C на см 2 площади ячейки), следовательно, менее выражено и обычно не учитывается в фотоэлектрических конструкциях.По мере увеличения рабочей температуры ячейки ширина запрещенной зоны собственного полупроводника сокращается, что приводит к уменьшению В oc , но позволяет поглощать больше падающего света, увеличивая количество созданных мобильных носителей заряда, следовательно, увеличивается I сбн . Фотогенерируемые носители линейно увеличиваются с интенсивностью солнечного излучения из-за ожидаемого увеличения вероятности фотонов с достаточной энергией для создания электронно-дырочных пар, что увеличивает генерируемый светом ток.

Рис. 5. Типичные ВАХ при различных температурах (A) и интенсивности (B).

PV / T-системы могут одновременно выдавать электрическую и тепловую энергию, могут работать таким образом, чтобы способствовать охлаждению фотоэлектрических модулей и / или более высокому преобразованию поглощенного солнечного излучения. В обычных конструкциях фотоэлектрических / Т-коллекторов фотоэлектрические элементы размещаются на пластине абсорбера, или фотоэлектрический модуль действует как пластина абсорбера стандартного солнечного теплового коллектора. Таким образом, отработанное тепло от фотоэлектрического модуля напрямую передается воздуху, воде или другой фазе, включая материалы с фазовым переходом (PCM), которые могут накапливать тепло для использования при необходимости.Эффективность преобразования поступающего солнечного излучения на их площадь апертуры в электричество PV / T коллекторов характеризуется электрическим КПД η el , в то время как преобразование в тепло характеризуется тепловым КПД η th , и очень часто в литературе эти два КПД суммируются для получения общего КПД преобразования η t :

(7) ηt = ηel + ηth

Общий КПД не соответствует четко определенному КПД преобразования энергии. , поскольку включает в себя две формы энергии разной «ценности».«С термодинамической точки зрения преобразование тепла в энергию связано с разницей температур между« горячим »и« холодным »уровнями температуры. Таким образом, чтобы преобразовать тепловую мощность коллектора PV / T в соответствующую форму энергии, которая может быть более легко добавлена ​​к выходной мощности коллектора, необходимо учитывать температуру теплопередачи. Эффективная работа фотоэлектрического коллектора в отношении его электрической мощности достигается при низких рабочих температурах фотоэлектрического модуля, чтобы избежать потери производительности при повышенных температурах.С другой стороны, эффективная работа того же коллектора в отношении его тепловой мощности достигается, когда система может работать при более высоких температурах с удовлетворительной эффективностью. Фактически, оба КПД, электрический и тепловой, являются высокими при низких рабочих температурах коллектора PV / T, однако в этих рабочих условиях выделяемое тепло имеет низкую термодинамическую ценность. И наоборот, в случае работы системы при более высоких температурах для получения температуры подачи тепла / жидкости, которая достаточно высока, чтобы быть полезной для реальных приложений, как электрическая, так и тепловая мощность системы уменьшаются.Таким образом, в традиционных конструкциях коллекторов PV / T существует конфликт между электрическим и тепловым режимом работы, и это является проблемой для этих систем как с точки зрения конструкции, так и с точки зрения эксплуатации. Недавнее решение этого компромисса основано на принципе спектрального расщепления (см. Раздел 2.6).

Соотношение, которое можно использовать для оценки температуры фотоэлектрического модуля как функции температуры окружающей среды T a и приходящей солнечной радиации G , дано Lasnier and Ang (1990):

(8 ) TPV = 30 + 0.0175G − 300 + 1.14Ta − 25

Это соотношение используется для стандартных фотоэлектрических модулей pc-Si. Для фотоэлектрических модулей a-Si их более низкий электрический КПД приводит к несколько более высоким температурам фотоэлектрических модулей по сравнению с фотоэлектрическими модулями pc-Si. По этой причине в этом случае можно использовать следующее слегка измененное соотношение:

(9) TPV = 30 + 0,0175G − 150 + 1,14Ta − 25

В PV / T-системах температура PV зависит также от системы. условий эксплуатации и, в основном, средней температуры теплоносителя. Электрический КПД η el можно рассматривать как функцию параметра ( T PV ) eff , который соответствует температуре PV для рабочих условий систем PV / T.Это эффективное значение ( T PV ) eff может быть получено из:

(10) TPVeff = TPV + TPV / T − Ta

Рабочая температура T PV / T PV / Система T соответствует фотоэлектрическому модулю и температурам теплового агрегата и может быть приблизительно определена по средней температуре жидкости. Эта модифицированная формула соответствует увеличению рабочей температуры фотоэлектрических модулей из-за снижения тепловых потерь в окружающую среду от фотоэлектрической системы.

Поскольку значения тепла и электроэнергии обычно не совпадают, Huang et al. (2021a) предоставляет общий способ определения общей эффективности:

(11) ηtot = ηel + w • ηth

, где η tot — это общий эффективный КПД PV / T-системы, а w — это весовой коэффициент, преобразующий тепловую энергию в эквивалентное количество электричества. Следует отметить, что значение w может быть основано на термодинамическом значении (например, вышеупомянутой эффективности преобразования теплового двигателя), экономической стоимости (например.g., соотношение цен на тепло и электроэнергию) или соотношение экологических выгод (например, снижение выбросов).

Проектирование и испытание солнечного коллектора с кожухом и комбинированными поверхностными концентраторами

В данной статье представлены дизайн и испытания солнечного коллектора с кожухом, который может быть использован в северной части Китая для установки на стене. Разработанный солнечный коллектор основан на комбинации нового составного концентратора с изогнутой поверхностью и алюминиевого концентрического солнечного приемника, который заключен в стеклянную вакуумную трубку.Поскольку между стеклянной вакуумной трубкой с двойной стенкой и алюминиевым концентрическим солнечным приемником нет перфорированного стыка, устраняется сложность поддержания вакуума в стыке стекло-металл. Оболочка полости обеспечивает дополнительную теплоизоляцию для уменьшения тепловых потерь проектируемого солнечного коллектора. Описан принцип работы составного концентратора изогнутой поверхности. Результаты трассировки лучей приведены для того, чтобы показать влияние угла отклонения концентратора на его оптическую эффективность, а следовательно, на определение максимального угла приема.Создан прототип разработанного солнечного коллектора и испытан в условиях солнечной зимы. Результаты экспериментов показывают, что температура горячей воды выше 80 ° C со среднесуточной эффективностью около 45 ~ 50% была достигнута при средней температуре окружающей среды ниже 0 ° C, поэтому спроектированный солнечный коллектор может производить горячую воду с полезной температура зимой.

1. Введение

Обычно широко используются два типа солнечных коллекторов: обычные плоские коллекторы и недавно разработанные стеклянные вакуумные трубчатые коллекторы.У них есть свои преимущества и недостатки. Плоские солнечные коллекторы обладают преимуществами выдерживания механических нагрузок, отсутствия немедленной утечки при частичном повреждении и более легкой архитектурной интеграции, в то время как их недостатками являются низкая рабочая температура зимой и возможность повреждения от замерзания. И наоборот, стеклянные вакуумные трубчатые коллекторы могут поддерживать достаточно высокую рабочую температуру при температуре окружающей среды ниже точки замерзания зимой; например, при температуре наружного воздуха выше –10 ° C температура сбора может превышать 45 ° C.Однако у них есть недостаток, заключающийся в том, что они легко повреждаются при механическом воздействии, особенно для крупномасштабных систем. Солнечные коллекторы с вакуумной трубкой имеют значительно более высокий КПД, чем плоские коллекторы, при более высокой температуре сбора или более низкой температуре окружающей среды благодаря вакуумной теплоизоляции. Zambolin и Del Col [1] экспериментально сравнили эти два типа солнечных коллекторов и обнаружили, что вакуумный трубчатый коллектор может поддерживать эффективность более 50% при средней температуре горячей воды около 60 ° C, температуре окружающей среды 20 ° C, и солнечное излучение 700 Вт / м 2 .Солнечные концентраторы могут использоваться для улучшения тепловых характеристик вакуумных трубчатых коллекторов для приложений с более высокими рабочими температурами или в условиях низкого солнечного излучения. Солнечный коллектор концентрационного типа, разработанный Snail et al. [2] имеет оптическую эффективность 65% и тепловую эффективность лучше 50% при температуре жидкости 200 ° C без отслеживания солнца. Для сравнения, Rabl et al. [3] изучали сочетание невакуумированных солнечных коллекторов с составными параболическими концентраторами (КПК).Ли и Ван [4] исследовали комбинированный желоб параболического концентратора и систему солнечного коллектора с вакуумированными трубками и измерили эффективность около 70% при температуре воды на выходе 105 ° C. Хотя изготовление оптических поверхностей CPC может быть выполнено только дорогостоящими методами одноточечной обработки, можно аппроксимировать сложные поверхности CPC с помощью ограниченного числа более простых форм без значительных потерь эффективности [5]. Adsten et al. [6] предложили так называемую MaReCo конструкцию солнечных концентраторов для стационарной установки.Нортон и др. [7] дал много исследований симметричным и асимметричным линейным составным параболическим концентраторам, что очень полезно для нас при разработке некоторых новых концентраторов.

С другой стороны, в некоторых случаях коллектор необходимо закрепить на стене. Например, в очень высоком здании пользователи надеются закрепить солнечный коллектор на южной стене, если он доступен. Ji et al. [8] описал настенный гибридный фотоэлектрический / водонагревательный коллектор. Вакуумные трубчатые солнечные коллекторы особенно подходят для настенного монтажа в условиях высоких широт [9].Однако коллектор с вакуумной трубкой забит водой, которая добавляет его тепловую массу, так что зимой он дает горячую воду очень низкой температуры. Чтобы получить более высокую тепловую энергию, Adsten et al. (2005) оценили различные асимметричные конструкции CPC для автономной, кровельной или настенной установки. Mills et al. [10] также исследовали характеристики асимметричных солнечных коллекторов CPC с трубчатым приемником и указали, что они могут быть использованы в некоторых особых случаях.

Кроме того, очень важен приемник, используемый в составном параболическом концентраторе.Mills et al. В [10] обсуждались вопросы, связанные с вакуумными трубчатыми солнечными приемниками, установленными в специальном концентраторе. Tripanagnostopoulos et al. В [11] также обсуждается проблема сопряжения солнечных коллекторов CPC с плоскими двусторонними поглотителями. Все предыдущие работы направлены на то, чтобы добиться более высокой рабочей температуры коллектора или позволить коллекторам работать зимой.

Это исследование представит дизайн и испытания солнечного коллектора нового типа, основанного на объединении нового составного концентратора изогнутой поверхности с алюминиевым концентрическим солнечным приемником, заключенным в стеклянную откачиваемую трубку.Разработанный солнечный коллектор подходит для настенного монтажа в условиях высоких широт.

2. Конструкция системы

Использование нового составного солнечного концентратора с изогнутой поверхностью является ключевым элементом в конструкции системы горячего водоснабжения солнечного коллектора нового типа для настенного монтажа. В сочетании со стеклянным вакуумным трубчатым солнечным приемником система солнечного коллектора сможет обеспечить горячую воду зимой с температурой выше 70 ° C. Подробный инновационный дизайн описывается следующим образом.

2.1. Конструкция составного концентратора с изогнутой поверхностью

Ключевым компонентом предлагаемой системы солнечных коллекторов нового типа является новый концентратор с изогнутой поверхностью в виде желоба; поперечное сечение которого показано на рисунке 1. Составной концентратор состоит из двух верхних параболических зеркал, образованных параболоидом «1», двух плоских зеркал «2» и параболического зеркала «3» в основании. Высота двух верхних параболических зеркал не равна, чтобы получить наклонное отверстие, угол которого связан с географической широтой.Центральная линия трубчатого приемника «4» перекрывается с линией фокусировки параболоида «1», хотя может немного находиться выше линии фокусировки параболоида «3». Входящие лучи под определенным углом к ​​оси симметрии концентратора в основном отражаются верхними параболическими зеркалами к приемнику «4», а остальные отражаются плоскими зеркалами и базовым параболическим зеркалом, которые могут повторно отражать отраженные лучи. лучи от зеркал «1» к приемнику «4».


2.1.1. Соображения по конструкции

На поперечном сечении концентратора, как показано на Рисунке 1, показаны левый и правый участки параболической кривой «1» с фокусом на точке, которая описывается где — фокусный параметр, а — расстояние по вертикали от вершины параболической кривой «1» до оси.

Параболическая кривая усечена прямой линией, которая, следовательно, образует апертуру параболической кривой. Угол наклона линии может совпадать с местной географической широтой.Сегменты прямых линий и вертикальны по отношению к оси -оси и симметричны относительно оси -оси. Расстояние между и и их разумные длины выбираются в соответствии с диаметром трубчатого ресивера, а также для максимального увеличения угла приема. представляет собой участок параболической кривой «3» с фокусом в точке и вершиной на оси -оси. Здесь описывается фокусный параметр. Следовательно, поперечное сечение составной криволинейной поверхности состоит из параболических криволинейных сегментов и, прямых отрезков и, и параболического криволинейного сегмента.

2.1.2. Геометрический коэффициент концентрации и максимальный угол приема

Как показано на рисунке 1, два угла и образуются между касательными линиями от точек и до окружности поперечного сечения приемника «4». Они даны по

Как, есть. Очевидно, что угол или угол представляют собой максимально допустимый угол отклонения оси симметрии концентратора от входящих лучей для отражения лучей от точки или точки к трубчатому приемнику «4.По сравнению с лучами нормального падения, наклонные падающие слева лучи вряд ли могут попасть на зеркало, поэтому их можно рассматривать как меньший угол приема концентратора. Все падающие под углом лучи справа под углом отклонения не больше, чем могут быть непосредственно отражены в приемник параболическим зеркалом. Точно так же можно рассматривать как верхний приемный угол концентратора. Фактически каждая точка на параболическом зеркале имеет и свой индивидуальный максимально допустимый угол отклонения.Согласно (3), индивидуальный максимально допустимый угол отклонения, очевидно, увеличивается при движении точки вниз. Следовательно, когда угол отклонения больше или, часть падающих лучей все еще может отражаться непосредственно в приемник нижней частью параболических зеркал, а некоторые другие могут достигать приемника через второе отражение от плоского зеркала «2. ”И базовое параболическое зеркало“ 3 ”. По этой причине максимальный угол приема может быть намного больше, чем и.Немного подробнее будет обсуждаться в следующем разделе. Если угол наклона составного концентратора изогнутой поверхности отрегулирован так, чтобы следовать за солнцем, угол (<) можно использовать для определения временного интервала для регулировки угла наклона. Другими словами, этот угол также может представлять максимально допустимое отклонение от слежения.

Геометрический коэффициент концентрации составного концентратора с криволинейной поверхностью может быть определен как где — ширина отверстия и — диаметр трубчатого приемника.Если использовать ширину апертуры и диаметр трубчатого ресивера для определения геометрического соотношения концентраций, то будет.

Уравнения (1) — (4) могут использоваться для определения приемного угла и геометрического коэффициента концентрации концентратора для данной геометрии. Например, если предположить, что концентратор имеет следующие геометрические параметры,,,,, и, вот что. Максимальный угол приема составляет 18 °, а геометрическая степень концентрирования (для периметра трубчатого ресивера) или (для диаметра трубчатого ресивера).

2.1.3. Требование к точности слежения

В идеале, если бы желобный концентратор мог точно отслеживать солнце, весь входящий солнечный свет отражался бы поверхностью желоба в фокус, достигая приемника. Однако существует ошибка отслеживания, то есть симметричная ось желоба отклоняется от солнечного света, как показано на рисунке 2. Для любого используемого приемника существует максимально допустимый угол отклонения, который может зависеть от положения на желобе. поверхность. Этот угол фактически представляет собой требование точности отслеживания для определенной точки.Как видно из рисунка 2, максимальный угол отклонения изменяется в зависимости от положения точки на поверхности желоба.


Для конструктивных параметров, описанных в предыдущем разделе, было вычислено изменение в зависимости от положения точки, которое показано на рисунке 3. Ясно, что требования к точности отслеживания для разных точек различаются. Например, точность отслеживания составляла 9,3 ° при расстоянии от исходной точки 108 мм, 5,3 ° при расстоянии 143,7 мм. Можно обнаружить, что требования к точности отслеживания будут выше, когда точка отражения будет дальше от точки фокусировки.Минимальное значение этого рассчитанного максимального допустимого угла отклонения можно рассматривать как требование точности отслеживания всего желоба, если ожидается, что весь входящий солнечный свет достигнет приемника.


2.1.4. Анализ трассировки лучей

Составной концентратор криволинейной поверхности с предполагаемыми выше геометрическими параметрами был смоделирован в программе 3D-проектирования Pro / ENGINEER, а физическая модель была сохранена в формате IGES, а затем импортирована в программу оптического моделирования LightTools для лучей. отслеживающий анализ.Предполагалось, что падающие лучи параллельны, и количество лучей было установлено равным 100. Моделирование трассировки лучей было выполнено для различных углов отклонения. На рисунке 4 показаны результаты трассировки лучей для углов отклонения по часовой стрелке 10 °, 12 ° и 17 ° и углов отклонения против часовой стрелки 6 °, 7 ° и 15 °.


Очевидно, что угол отклонения влияет на количество лучей, достигающих приемника. Чтобы сравнить этот эффект между разными углами отклонения, было бы удобно определить идеальную оптическую эффективность, которая представляет собой отношение количества лучей, достигающих приемника, к общему количеству входящих лучей.По результатам анализа трассировки лучей можно получить соотношение между идеальной оптической эффективностью и углом отклонения, которое показано на рисунке 5. Можно увидеть, что, когда угол отклонения симметричной оси концентратора находится между часовой стрелкой и против часовой стрелки, все падающие лучи могут достигать приемника; идеальная оптическая эффективность составляет 1,0. Когда он вращается по часовой стрелке, идеальный оптический КПД составляет 0,81, а когда он вращается против часовой стрелки, идеальный оптический КПД равен всего 0.58. Причину этой разницы можно объяснить следующим образом: как обсуждалось в предыдущем разделе, индивидуальный максимально допустимый угол отклонения каждой точки параболических зеркал «1» уменьшается, когда точка движется вверх. Поскольку высота левого параболического зеркала больше, чем правого параболического зеркала, средний максимально допустимый угол отклонения левого параболического зеркала меньше, чем правого; следовательно, меньший процент входящих лучей отражается в приемник, когда угол отклонения больше, чем и.Можно также ожидать, что полная кривая идеальной оптической эффективности будет выглядеть почти симметрично, пересекая вертикальную линию, которая проходит через угол отклонения по часовой стрелке, как показано на рисунке 5. Но на самом деле правый участок кривой немного круче, чем левый. раздел. Две конечные точки плоского участка кривой соответствуют верхнему и нижнему углу приема. Максимальный угол приема может быть определен путем продолжения кривой КПД до пересечения с линией КПД 0%.Стоит отметить, что рисунок 5 выглядел бы несколько иначе, если бы для анализа трассировки лучей была выбрана фиксированная плотность лучей вместо заданного числа.


2.2. Конструкция системы слежения за солнцем

Как видно на рисунке 5, разработанный составной концентратор поверхности имеет угол приема по часовой стрелке и угол приема против часовой стрелки, при этом оптическая эффективность составляет более 90%. Это даст общий угол приема. Таким образом, отслеживание солнца необходимо для того, чтобы концентратор мог максимально улавливать прямую солнечную радиацию.Для настенной установки, если самый большой угол солнечной высоты, то ежедневное число регулировки для отслеживания солнца составляет только раз. Зимой в большинстве случаев нет необходимости регулировать угол, потому что угол солнечной высоты небольшой. Для сконструированного солнечного коллектора предполагалось использовать одноосную автоматическую систему слежения за солнцем с точностью слежения около 2 ° и временным интервалом слежения 30 минут в соответствии с углом приема против часовой стрелки. Эта система отслеживания использует режим возбуждения со световым управлением.

2.3. Конструкция приемника

Солнечный приемник — еще один ключевой компонент. В качестве солнечного приемника использовалась двухслойная стеклянная вакуумная трубка, соединенная с концентрической алюминиевой трубой. Внешний размер стеклянной откачиваемой трубки составлял. Концентрическая алюминиевая труба включает два слоя, как показано на рисунке 6. Внешний алюминий имеет диаметр и длину, а его внешняя поверхность была покрыта окислительной пленкой для образования эффективной трубчатой ​​поверхности поглощения солнечного излучения.По сравнению с обычными солнечными поглотителями с ребристыми U-образными трубками концентрический поглотитель имеет кольцевой водяной канал на внутренней стороне трубчатой ​​поверхности поглощения солнечного излучения, что позволяет минимизировать тепловое сопротивление. Кроме того, двухслойная стеклянная вакуумная трубка не имеет перфорационного соединения с алюминиевой концентрической трубой; следовательно, возможность утечки вакуума также может быть сведена к минимуму.


2.4. Конструкция солнечного коллектора с кожухом

Схема и экспериментальный образец спроектированного солнечного коллектора показаны на рисунке 7.Солнечный коллектор состоит из герметизирующей оболочки «1», комбинированного ручного и автоматического механизма слежения «2 и 3», нескольких малогабаритных концентраторов изогнутой поверхности желобчатого типа «4», стеклянной крышки «5» и нескольких стеклянные вакуумные трубчатые солнечные приемники «6». Принцип работы солнечного коллектора следующий: (1) солнечные лучи падают на составной изогнутый поверхностный коллектор «4» через стеклянную крышку «5»; (2) лучи отражаются к поверхности приемника «6»; (3) солнечное излучение преобразуется в тепло за счет поглощения селективным покрытием на внешней алюминиевой трубе; (4) жидкий теплоноситель входит во внутреннюю трубу концентрической алюминиевой трубы, а затем течет в кольцевой канал между средней трубой и внешней трубой, где она поглощает тепло, и ее температура увеличивается вдоль канала; (5) жидкий теплоноситель переносит тепло в резервуар для горячей воды по циркуляционной линии и отдает тепло воде через теплообменник с погружным змеевиком для повышения температуры воды.По сравнению с обычными вакуумными трубчатыми солнечными коллекторами, в разработанном солнечном коллекторе концентрированного типа используется меньшее количество вакуумированных трубок для той же площади солнечного сбора, поэтому общее количество теплоносителя в трубках может быть уменьшено. Это может помочь снизить общую тепловую инерцию и, следовательно, привести к быстрому тепловому отклику. Благодаря использованию солнечной концентрации солнечный коллектор может обеспечивать приемлемую температуру воды холодной зимой и не подвержен проблеме обледенения, поэтому он особенно подходит для высокоширотных регионов и зимой с меньшим солнечным светом. угол возвышения.


Размер прототипа настенного солнечного коллектора составлял. Внутренняя часть инкапсулирующей оболочки была прикреплена с помощью панели цистосепимента толщиной около 20 мм и тонкого слоя стекловаты в качестве теплоизоляционного слоя для уменьшения потерь тепла. В состав солнечного коллектора входили четыре составных концентратора с криволинейной поверхностью лоткового типа. Система слежения находилась за концентраторами желоба, поэтому ее было видно снаружи. Каждый желобчатый концентратор имел ширину и длину, обеспечивающую площадь апертуры.Отражающая поверхность концентраторов имела коэффициент отражения около 92% с коэффициентом диффузного отражения менее 10% и коэффициентом зеркального отражения, равным 88%. Стеклянная крышка и герметизирующая оболочка были соединены в замкнутую полость. Стеклянная крышка представляла собой толстое листовое флоат-стекло с низким содержанием железа и светопропусканием 0,88, что превышает требования GB 11614-2009 (Национальный стандарт Китая и профессиональный стандарт для плоского стекла). Хотя стеклянная крышка снижает количество солнечного излучения, попадающего в солнечный коллектор, она обеспечивает пыленепроницаемость концентраторов, а закрытая полость может помочь снизить потери тепла из вакуумного трубчатого солнечного приемника.

3. Проверка работоспособности прототипа солнечного коллектора
3.1. Экспериментальная система

Как показано на рисунках 7 и 8, экспериментальная система включала в себя прототип настенного солнечного коллектора с инкапсулированным кожухом, резервуар для воды, циркуляционный насос, резервуар для подачи, теплообменный змеевик и циркуляционную трубу. На циркуляционный трубопровод и резервуар для воды был нанесен слой теплоизоляции толщиной 20 мм для уменьшения потерь тепла. Принцип работы экспериментальной системы следующий: поступающее солнечное излучение концентрируется и собирается солнечным коллектором для нагрева теплоносителя внутри; затем нагретая рабочая жидкость поступает в резервуар для воды, где ее тепло передается воде.Охлажденная рабочая жидкость после тепловыделения циркулирует насосом в солнечный коллектор для повторного нагрева. По мере продолжения процесса температура воды в резервуаре для воды постепенно повышается. Когда он достигает определенной степени, он готов к использованию.


Тестирование производительности проводилось в Пекине () при температуре окружающей среды в диапазоне от -1 до -9 ° C. Объем резервуара для воды был с начальной температурой воды 11,6 ° C. В эксперименте солнечная освещенность автоматически регистрировалась солнечной тестовой системой TRM-2 (включая таблицу солнечной радиации TBQ-DI) с точностью ± 5%.Откалиброванные термопары k-типа использовались для измерения температуры в различных точках системы. Данные регистрировались регистратором данных температуры ТТ-12, в котором можно было регулировать интервал считывания.

3.2. Результаты экспериментов и анализ
3.2.1. Тестирование эффективности

Чтобы проверить спроектированный солнечный коллектор для использования в зимнее время, для эксперимента были выбраны два дня с более низкой температурой окружающей среды. Прототип солнечного коллектора был размещен вертикально, чтобы имитировать установку на стене.Система была в модели автоматического отслеживания. Температуру окружающей среды и воды, а также солнечную освещенность в вертикальной плоскости регистрировали каждые 20 мин. Записанные данные показаны на рисунках 9 и 10.



Из значений солнечной освещенности на рисунке 9 видно, что два дня, выбранных для тестирования, были солнечными и безоблачными, но температура окружающей среды была ниже -1 ° C. . Как показано на Рисунке 10, прототип солнечного коллектора нагрел воду для хранения почти до 80 ° C к 15:00, поэтому он мог полностью удовлетворить потребность в горячей воде для бытового потребления зимой в более холодных регионах.Температура воды вначале увеличивалась почти линейно со временем и превысила 65 ° C примерно в 14:00, а затем скорость повышения температуры начала уменьшаться, потому что солнечная радиация начала уменьшаться во второй половине дня, в то время как тепловые потери системы продолжал увеличиваться с повышением температуры воды. Также видно, что замкнутая полость обычно имела температуру выше 20 ° C. Это явно поможет снизить потери тепла в окружающую среду по сравнению с ситуацией, когда солнечные приемники с откачанными трубками подвергаются воздействию температуры окружающей среды ниже 0 ° C зимой.

Среднесуточная эффективность является ключевым параметром для характеристики солнечного коллектора, и ее можно определить следующим образом: где — среднесуточная эффективность, а — количество и удельная теплоемкость воды, — начальная средняя температура резервуара для воды. (° C), это конечная температура резервуара для воды (° C), это суточная суммарная экспозиция солнечного излучения (), а также площадь апертуры солнечного коллектора, которая была.

Подстановка экспериментальных данных в (5) дает среднесуточную эффективность 51.3% на 23 января и 50,1% на 25 января соответственно. Небольшая разница в эффективности за эти два дня может быть связана с разницей в средних рабочих температурах.

Переходный КПД отражает изменение КПД теплового преобразования со временем, и его можно определить как [12] где — переходный КПД, — масса воды в резервуаре для воды (), — площадь отверстия солнечного коллектора. (), — удельная теплоемкость воды (), — средняя температура воды в резервуаре для воды (° C), — суммарное солнечное излучение (), а нижние индексы и обозначают начальное и конечное состояния каждого временного интервала. .

Путем вставки экспериментальных данных в (6) можно получить переходную эффективность в разное время и построить график зависимости от нормализованной разности температур, как показано на рисунке 11. Переходная эффективность отображает приблизительную квадратичную зависимость от нормализованной разницы температур. Метод регрессии по методу наименьших квадратов данных на Рисунке 11 дает следующую формулу:


На Рисунке 11 также показаны кривые переходной эффективности для эффективного плоского солнечного коллектора [13] и солнечного коллектора с вакуумной трубкой и тепловыми трубками для сравнения [14] .Видно, что когда температура воды равна температуре окружающей среды, то есть пересечение кривой переходной эффективности спроектированного солнечного коллектора составляет 0,632, что выше, чем у двух других солнечных коллекторов. Это указывает на то, что тепловые потери спроектированного солнечного коллектора могут быть значительно уменьшены за счет использования солнечного концентратора и оболочки полости. Кривые переходной эффективности трех солнечных коллекторов имеют общую тенденцию; то есть с повышением рабочей температуры их КПД снижается на разных наклонах, среди которых кривая КПД плоского солнечного коллектора имеет самый крутой наклон.Наклон кривой эффективности спроектированного солнечного коллектора аналогичен наклону кривой эффективности обычного солнечного коллектора с вакуумной трубкой и тепловыми трубками, но немного ниже при более высокой температуре. Это главным образом потому, что теплоизоляция спроектированного солнечного коллектора не так хороша, как у обычного солнечного коллектора с вакуумными трубками; таким образом, значительное количество тепла теряется в резервуаре для воды и циркуляционной трубе.

Система также была протестирована в режиме без отслеживания для сравнения, в котором желоб был зафиксирован в течение дневного теста.Но угол наклона (между осью симметрии желоба и землей) регулировался в разные дни. Например, 6 ноября угол составлял 50 °, 23 ноября — 40 °. Остальные условия были такими же, как и в режиме автоматического отслеживания.

Результаты экспериментов по двум типичным солнечным дням представлены на рисунке 12. На основании данных рассчитанная дневная эффективность составляет 44,5% и 38% соответственно. Это указывает на то, что угол наклона имеет важное значение для эффективности.По сравнению с эффективностью около 50% для режима слежения можно увидеть, что использование слежения за солнцем важно для получения высокой эффективности.


Проанализирована погрешность измерения эксперимента. При решении (5) используется дифференциальная операция. Изменение эффективности дает следующую формулу:

Если ввести эти параметры в уравнение ошибки эффективности, ошибку можно вычислить. Относительная погрешность составляет 2,6%. Путем анализа ошибок доказана пригодность описанного выше метода.

3.2.2. Испытание вытеснения горячей воды при контролируемой температуре

Эксперимент также проводился для исследования тепловых характеристик прототипа солнечного коллектора с периодическим вытеснением горячей воды при контролируемой температуре. Система находилась в режиме без отслеживания. В эксперименте концентрирующий желоб фиксировался с углом наклона 50 °. Такое испытание проводилось в несколько ярких дней с установочной температурой 45 ° C, при которой холодная вода подавалась в резервуар для вытеснения горячей воды.Когда температура выходящей воды достигала определенного уровня (40 ° C или 35 ° C), подача воды прекращалась. На рисунках 13 и 14 показаны зарегистрированные значения солнечной освещенности и температуры воды.



Согласно (5), среднесуточный тепловой КПД прототипной системы горячего водоснабжения солнечного коллектора 22 января можно рассчитать следующим образом: где — изменение средней температуры воды между -м вытеснением и th смещение и количество воды для th смещения.Понятно, что тепловой КПД системы с периодическим вытеснением горячей воды несколько больше, чем у закрытой емкости для воды. Причина в том, что прототип системы в первой ситуации работал при более низкой температуре, следовательно, меньше тепла терялось в окружающую среду. Таким же образом и 7 ноября, и 21 января можно получить КПД 45% и 48%. Легко обнаружить, что КПД в режиме контролируемой температуры больше из-за более низкой рабочей температуры и меньших тепловых потерь.

4. Выводы

Чтобы преодолеть недостаток обычных солнечных коллекторов зимой, то есть их недоступность из-за низкой температуры воды или даже замерзания, в этой статье была представлена ​​новая конструкция солнечных коллекторов, основанная на комбинации новаторских решений. составной концентратор с изогнутой поверхностью и алюминиевый концентрический солнечный приемник, заключенный в двойную стеклянную вакуумную трубку. Создан прототип солнечного коллектора, который заключен в стеклянную оболочку, полость которой обеспечивает дополнительную теплоизоляцию.Работоспособность прототипа проверена в условиях солнечной зимы и при настенном монтаже. Результаты экспериментов показывают, что при средней температуре окружающей среды ниже 0 ° C температура воды может быть нагрета до 80 ° C со средней дневной эффективностью около 50%. Таким образом, спроектированный солнечный коллектор может производить полезную горячую воду зимой. Разработанный солнечный коллектор имеет следующие преимущества.

(1) В спроектированном солнечном коллекторе используется новый составной концентратор с изогнутой поверхностью; количество вакуумированных трубок, используемых на единицу площади солнечного коллектора, уменьшается, как и количество теплоносителя внутри солнечного коллектора.Следовательно, тепловая реакция системы будет быстрой. Это может быть полезно для применения зимой, когда солнечный свет короткий, а температура окружающей среды низкая.

(2) Жидкий теплоноситель, который может работать при температуре от –30 ° C до 200 ° C, используется для передачи собранного солнечного тепла в резервуар для воды через циркуляционный насос и теплообменник. Жидкий теплоноситель имеет низкую температуру замерзания и поможет предотвратить растрескивание и взрыв солнечного коллектора из-за возможного замерзания зимой.

(3) Солнечный коллектор использует алюминиевую концентрическую трубу в качестве солнечного приемника. Канал для жидкости находится непосредственно внутри поверхности, поглощающей солнечный свет, поэтому передача тепла будет быстрой и эффективной. Кроме того, отсутствует соединение между откачиваемой трубкой и алюминиевым концентрическим солнечным приемником, что позволяет избежать проблемы поддержания вакуума для соединения стекла и металла.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарность

Эта работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (№ U1261119).

ПЕРЕХОДНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛОСКОГО СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА С БАКОМ И ТЕРМИЧЕСКИМ ХРАНЕНИЕМ

Глобальное потепление из-за чрезмерного использования ископаемого топлива приводит к различным видам загрязнения. Глобальное потепление можно контролировать, отказавшись от невозобновляемых ископаемых видов топлива с возобновляемыми альтернативными источниками энергии, такими как ветер, солнце, геотермальная энергия, биомасса и океан.Солнечная энергия — самый популярный альтернативный источник во всем мире. Солнечная энергия используется в качестве альтернативного источника энергии почти во всех странах глобус. Солнечная энергия использует солнечное излучение для производства тепла, а тепло используется для различные приложения для обогрева и охлаждения, в том числе электричество. Солнечная Электроэнергия используется в бытовых приложениях в качестве водонагревателей. Солнечный коллектор используется для передачи энергии от солнца на нагрев воды. Плоская тарелка солнечный коллектор обычно используется в системах водяного отопления.Солнечного излучения нет доступны в течение всего дня в качестве других альтернативных источников энергии, поэтому может возникнуть необходимость в хранить собранное излучение с помощью системы аккумулирования тепла. В этом исследовании рассматривается система солнечного коллектора с накопительным баком и материалом с фазовым переходом (PCM). В моделирование переходного процесса с использованием одномерной математической модели для представлена ​​коллекторно-накопительная система с материалами с фазовым переходом (ПКМ). В коллектор, используемый в этом исследовании, представляет собой модель плоской пластины и парафиновый воск, заключенный в алюминиевые цилиндры в качестве материала с фазовым переходом (PCM).Тепловая энергия, получаемая солнечное излучение может сохраняться в течение более длительного периода в системе с фазовым переходом материалы (ПКМ) из-за скрытого накопления тепла или энтальпии плавления.

История

Тип степени

Магистр машиностроения

Кафедра

Машиностроение

Расположение кампуса

Форт-Уэйн

Советник / руководитель / председатель комитета

Доктор Дональд Мюллер-младший

Советник / Супервайзер / Сопредседатель комитета

Dr.Хосни Абу-Мулавех

Член дополнительного комитета 2

Доктор Нашван Юнис

Модели новых гофрированных и пористых солнечных коллекторов воздуха в переходных режимах

Были разработаны математические модели для оценки динамического поведения двух солнечных коллекторов воздуха: первый один оборудован поглотителем с V-образной пористостью, а второй — поглотителем с U-образной гофрой. Коллекторы имеют одинаковую геометрию, площадь поперечного сечения и изготовлены из одних и тех же материалов, единственная разница между ними — поглотители.Поглотители с V-образным рифлением рассматривались в литературе, но смоделированные здесь поглотители с V-образным профилем не очень часто рассматривались. Модели основаны на дифференциальных уравнениях первого порядка, которые описывают теплообмен между основными компонентами двух типов солнечных воздухонагревателей. Оба коллектора подвергались воздействию солнца в одних и тех же метеорологических условиях, под одинаковым углом наклона и работали при одинаковом массовом расходе воздуха. Испытания проводились в климатических условиях Бухареста (Румыния, Юго-Восточная Европа).Есть хорошее согласие между теоретическими результатами и экспериментами. Средняя ошибка смещения составила около 7,75% и 10,55% для солнечного коллектора воздуха с V-пористым поглотителем и с U-образным гофрированным поглотителем соответственно. Коллектор на основе V-пористого поглотителя имеет более высокий КПД, чем коллектор с U-образным гофрированным поглотителем около полудня в ясные дни. В период восхода и захода солнца коллектор с гофрированным U-образным поглотителем более эффективен.

1 Введение

Солнечные воздухонагреватели — это солнечные коллекторы, в которых в качестве рабочей жидкости используется воздух.Широко распространенные применения включают процессы обогрева и сушки помещений. Среди их преимуществ — простота обслуживания и изготовления, то, что они не замерзают и менее подвержены коррозии по сравнению с солнечными коллекторами воды. Солнечные воздушные коллекторы могут быть застекленными или неглазурованными, а их поглотители обычно состоят из материалов, имеющих высокое поглощение солнечного света и низкое излучение, т.е. е. селективные характеристики.

Многие исследователи сосредоточились на улучшении тепловых характеристик солнечных коллекторов воздуха.Для улучшения теплопередачи за счет конвекции от абсорбера к проходящему воздуху было испытано несколько конструктивных решений, таких как гофрированная пластина абсорбера [1, 2], геометрия шероховатости [3, 4] или ребра, приваренные над абсорбером и под ним. пластина [5, 6]. Работоспособность однопроходного солнечного воздухонагревателя с перегородками исследована в [7]. Результаты показывают, что увеличение количества ребер и увеличение ширины перегородки эффективны при низких массовых расходах. Тепловые характеристики солнечного воздушного коллектора с ребром, закрепленным на поглотителе, исследованы в [8].Авторы обнаружили ошибку смещения 3,5% между теоретическими и экспериментальными результатами. Влияние геометрических параметров круглых поперечных ребер на теплоотдачу прямоугольного канала с обогреваемой пластиной исследовано в [9]. Тепловой КПД воздуховода с шероховатой поверхностью на 5–9% выше, чем у гладкого воздуховода.

Есть две общие геометрии поглотителей солнечных коллекторов воздуха; первый — поглотитель с U-образным гофром, второй — поглотитель с V-образным гофром.

Конвективная теплопередача в гофрированных U-образных солнечных коллекторах (см. Рисунок 1) была численно исследована Gao et al. [10]. Результаты показывают, что для эффективного подавления потерь тепла, вызванных естественной конвекцией, соотношение высот должно быть больше 2, геометрическое соотношение должно быть больше 1, а угол наклона должен быть меньше 40 °. Основная цель использования U-гофрированных поглощающих пластин состоит в том, чтобы увеличить турбулентность и скорость теплопередачи внутри канала воздушного потока, которые имеют решающее значение для повышения эффективности солнечного воздушного коллектора [11, 12].

Рисунок 1:

Схематическое изображение площади поперечного сечения солнечного воздухонагревателя с U-образным гофром [10].

Большое количество исследований было выполнено на солнечном воздушном коллекторе с V-образным гофром. Ref. [13] разработали математическую модель такого коллектора. Эта модель смогла правильно спрогнозировать среднюю температуру всех компонентов коллектора, мгновенную температуру воздуха в любой секции коллектора, температуру воздуха на выходе и эффективность теплового преобразования.Было обнаружено, что лучший солнечный воздушный коллектор с V-образной гофрированной пластиной-поглотителем имеет высоту 50 мм от центра треугольника и угол наклона 60 ° по сторонам. Это показано на рисунке 2.

Рисунок 2:

Конструкция воздухосборника с гофрированным V-образным абсорбером [13].

Авторы исх. [14] провели экспериментальные исследования характеристик теплопередачи и производительности солнечных коллекторов с прямоугольными ребрами. Солнечные коллекторы с решеткой продольных прямоугольных ребер показали высокую тепловую эффективность, что связано с дополнительной площадью поверхности.Тепловые характеристики солнечных коллекторов с V-образной канавкой и с поперечным гофром теоретически сравнивались в работе [4]. [15], в широком диапазоне конфигураций и условий эксплуатации. Результаты показали, что коллектор с поперечным гофром превосходит коллектор с V-образной канавкой. Изготовление и оценка характеристик солнечного воздухонагревателя с V-образной канавкой изучались в [16]. Авторы сообщили об эффективности коллектора около 35%.

Было выполнено несколько исследований характеристик солнечных коллекторов воздуха с пористыми поглотителями.Авторы работ. [17–19] экспериментально исследовали однопроходный солнечный воздухонагреватель. Результаты показали, что эффективность этого солнечного воздушного коллектора выше, чем у солнечного воздушного коллектора без пористой среды.

Пытаясь улучшить тепловой КПД солнечных коллекторов, Munuswamy et al. [20] провели численные эксперименты по изучению эффективности наночастиц в солнечных водосборных системах. Авторы работы [21] теоретически и экспериментально исследовали работу солнечных водонагревателей в различных условиях эксплуатации.Максимальный тепловой КПД составил около 45%. Два плоских пластинчатых коллектора с одинаковой площадью поверхности сравнивались в [22]. Первый имеет вертикальные стояки с ребрами с внутренними канавками, а второй — с гладкими стояками. Результаты показывают, что эффективность коллектора с ребристой трубой выше, чем у коллектора без стояка.

Поглотители с V-образным рифлением рассматривались в нескольких статьях [13–16]. Новизна данной работы заключается в том, что она сосредоточена на V-пористых поглотителях, которые редко рассматривались в литературе.Тепловые характеристики коллектора с гофрированным V-образным пористым поглотителем сравниваются с характеристиками однопроходного коллектора с гофрированным U-образным поглотителем. Коллекторы практически идентичны, поскольку отличаются только типом поглотителя. Коллекторы испытываются на открытом воздухе в одинаковых метеорологических и радиометрических условиях. Представлены нестационарные математические модели для этих двух типов солнечных воздухонагревателей. Предложенные модели представляют общий интерес, так как могут быть легко использованы с поглотителями различной формы за счет изменения критериального уравнения коэффициента конвективной теплоотдачи.Валидация — важный шаг в развитии математического моделирования, и поэтому было проведено сравнение с фактическими экспериментальными результатами, полученными в Бухаресте, Румыния (44 ° 26 ′ северной широты, 26 ° 6 ′ восточной долготы).

2 Экспериментальное оборудование

Оба солнечных коллектора воздуха состоят из поглотителя, остекления, изоляции и деревянного каркаса коллектора, на котором были собраны эти компоненты. Оба коллектора имеют единую стеклянную крышку (1,5 м × 0,75 м). Задняя часть и края обоих коллекторов изолированы полистиролом, чтобы избежать потерь тепла.Использовались два типа поглотителей. Первый (пористый поглотитель с V-образным гофром) был изготовлен из мягкой стали с двумя слоями проволочной сетки, а второй (поглотитель с U-образным гофром) — из алюминия. Размер двух коллекторов составляет 1,52 м × 0,7 м × 0,0007 м и 1,4 м × 1,13 м × 0,00035 м соответственно. В таблице 1 представлены параметры коллекторов.

Таблица 1:

Параметры солнечных коллекторов воздуха.

Пластина абсорбера 90 .1
Параметры Значение Единица
Коллектор
Коллектор область поглотителя 1 125 м 2
Высота коллектора 0,085 м
Коэффициент пропускания стеклянной крышки 0,85 9066
Поглощающая способность V-образный пористый поглотитель
Поглотитель Мягкая сталь
Коэффициент излучения поглотителя 0,8
Толщина поглотителя 0.0007 м
Плотность абсорбера 7,820 кг / м 3
Слои абсорбера 2
Электропроводность абсорбера 469 W4 904 904 904 904 904
Удельная теплоемкость мягкой стали 502,4 Дж / (кг · К)
U-образный гофрированный абсорбер
Пластина абсорбера Излучательная способность алюминия
Толщина плиты абсорбера 0,0007 м
Плотность плиты абсорбера 2,700 кг / м 3
1 9045 Слои плиты абсорбера электропроводность 237 Вт / (м · К)
Удельная теплоемкость алюминия 904 Дж / (кг · К)
Стеклянная крышка
Количество прозрачных крышек
Поглощающая способность прозрачной крышки 0.2

Два солнечных коллектора были установлены в Политехническом университете Бухареста (44 ° 26′N, 26 ° 6′E). Наклон коллектора составлял 55 °, что вполне достаточно для обогрева помещений зимой в географическом месте Бухареста.

Пиранометр Kipp and Zonen CMP3 использовался для измерения солнечного излучения на уровне и наклоне коллекторов. Пиранометр был подключен к компьютеру, и измерения регистрировались с интервалом времени 10 с.

Фотография и схематический вид экспериментальной установки показаны на рисунке 3. Экспериментальные исследования проводились в течение сентября и октября 2014 г. в условиях ясного неба. Дальнейшие подробности следующие.

Рисунок 3:

(A) фотография и (B) схематический вид солнечных коллекторов воздуха: (1) воздушный вентилятор, (2) датчик влажности, (3) датчик давления, (4) воздухозаборник, (5) V-образный пористый поглотитель, (6) ребра, (7) термопреобразователь, (8) пиранометр, (9) выход воздуха и (10) U-образный поглотитель.

2.1 Абсорбер

Основным элементом солнечных коллекторов воздуха является абсорбер, который преобразует солнечную энергию в тепло и передает ее текущему воздуху. Форма поглотителя имеет большое значение. Кроме того, увеличение площади поверхности поглотителя увеличивает количество тепла, передаваемого воздуху [5, 6].

Поглотители коллекторов, используемых в этом исследовании, имеют разную конфигурацию и изготовлены из разных материалов (см. Рисунок 4). Один коллектор представляет собой однопроходный воздухосборник с поглотителем из алюминия (поглотитель с гофрированной U-образной формой).Другой коллектор представляет собой оригинальный коллектор проходного воздуха с поглотителем, состоящим из проволочной сетки из мягкой стали (пористый поглотитель с V-образным рифлением). Оба типа поглотителей окрашены в черный цвет для преобразования максимального количества солнечной энергии в тепло.

Рис. 4:

Поглотитель с U-образным гофром (слева) и пористый поглотитель с V-образным гофром (справа).

Коллектор на основе гофрированного пористого поглотителя имеет прямоугольную форму. Его корпус выполнен из дерева и имеет длину 1.2 м и шириной 0,8 м. Эскиз этого коллектора представлен на рисунке 5 (а). Поглотитель представляет собой двухслойную проволочную сетку из мелких ячеек размером примерно 0,1–0,2 мм, которую можно рассматривать как пористый материал с большими порами примерно 0,05–0,1 мм (рис. 5 (b)). Проволочная сетка помещается в кожух так, чтобы воздух проходил над сеткой, под ней и сквозь нее. С этой точки зрения коллектор можно рассматривать как комбинацию однопроходного воздухосборника и проходного воздухосборника. Эффективная поверхность пористого поглотителя из двух проволочных сеток составляет (2 × 0.7 × 1,523 = 2,1322 м 2 ). Эффективная площадь теплопередачи между проволочной сеткой и воздухом была рассчитана по следующей формуле:

(1) Aab = nWabPt⋅Lab + LabPt⋅Wab⋅π⋅Thab

Рис. 5:

(a) Эскиз солнечного коллектора на основе пористого поглотителя с V-образным рифлением и (b) вид на V-пористый поглотитель.

, где W ab — ширина одной стальной ячейки (0,7 м), L ab — длина одной стальной ячейки (1,523 м), Pt — шаг стальной сетки ( 0.00017 м), Th ab — диаметр стальной проволочной сетки (0,0001 м) и n — количество проволочных сеток ( n = 2; двухслойная сетка). После расчетов эффективная площадь теплопередачи между проволочной сеткой и воздухом составляет 7,88 м 2 . И пористый поглотительный коллектор с V-образным рифлением, и пористый поглотительный коллектор с U-образным рифлением имеют одинаковую чистую площадь поверхности отверстия (площадь стеклянного покрытия), равную 1,125 м 2 (1,5 м × 0,75 м). Однако площадь теплопередачи у коллектора с пористым поглотителем с V-образной гофрой больше, чем у коллектора с гофрированным U-образным поглотителем.

Коллектор с U-образным гофрированным абсорбером имеет три прямых перегородки для отвода потока и повышения коэффициента турбулентности (рис. 6 (a) и (b)). Между стеклянной крышкой и пластиной-поглотителем сохраняется зазор. Воздух проходит через воздушный канал (под пластиной поглотителя) для сбора тепла от поглотителя, который представляет собой окрашенный в черный цвет алюминиевый лист толщиной 0,35 мм. Коэффициенты поглощения и теплопроводности пластины составляют 95% и 205 Вт / (м · К) соответственно.

Рис. 6:

(a) Эскиз солнечного коллектора на основе U-образного гофрированного поглотителя и (b) вид U-образного поглотителя с перегородками.

2.2 Термопреобразователи

Были использованы тридцать два термопреобразователя, равномерно распределенных на нижней поверхности поглотителя (см. Рисунок 7) в идентичных местах вдоль направления воздушного потока для каждого коллектора. Температуру приточного воздуха измеряли двумя термопреобразователями. На конце каждого коллектора были закреплены четыре термопреобразователя для измерения температуры воздуха на выходе.Термопреобразователи были установлены в одном и том же положении во входной зоне обоих коллекторов, чтобы получить распределения температуры на входе. Все термопреобразователи были подключены к компьютеру. Измерения регистрировались с 10-секундными интервалами.

Рисунок 7:

Термопреобразователи для обоих солнечных коллекторов.

3 Анализ экспериментальных данных

Полезный тепловой поток, подводимый коллектором к воздуху, рассчитывается с помощью следующего уравнения:

(2) Q˙u = m˙aCpaTa, out − Ta, в

, где Ta, out − Ta, in — повышение температуры Spara воздуха между входом и выходом коллектора, а m˙a (кг / с) — это массовый расход воздуха, определяемый по формуле

(3) m˙a = ρaV˙a = ρvaπ⋅d24

где V˙a — объемный расход воздуха, выходящего из коллектора через канал диаметром d , va — скорость воздуха, а ρa — плотность воздуха.Предполагается, что удельная теплоемкость воздуха Cpa [кДж / (кг K)] линейно зависит от температуры (° C) [23].

(4) Cpa = 1,0057 + 0,000066Tm, a − 27

Поток солнечной энергии, поглощаемый поглотителем солнечного коллектора, определяется выражением

(5) Qs = (τα) GTAc

где GT (Вт / м 2 ) — полная солнечная энергия, падающая на наклонную поверхность коллектора, Ac (m 2 ) — площадь поверхности коллектора и (τα ) — эффективное произведение коэффициента пропускания и поглощения, которое рассчитывается с помощью следующего уравнения:

(6) (τα) = τα1− (1 − α) ρg

Тепловой КПД солнечных коллекторов воздуха определяется как отношение полезного теплового потока, подаваемого коллектором, и полного потока энергии, поглощаемого поглотителем [ 24]:

(7) η = m˙aCpaTa, out − Ta, inAcταGT

Были измерены температура окружающей среды, солнечное излучение, температура воздуха на выходе и скорость воздуха на выходе.Были рассчитаны тепловая характеристика коллектора, расход воздуха, тепловой поток и, наконец, эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую.

В установившемся режиме работы поток полезного тепла, доставляемый солнечным коллектором, равен потоку энергии, поглощаемой рабочим телом (воздухом), за вычетом потока тепла, теряемого с поверхности поглотителя в окружающую среду. Полезный выходной поток солнечных коллекторов воздуха можно записать как

(8) Qu = ταG − ULTma − Tamb

Поток солнечной энергии, поглощаемый поглотителем на единицу площади поверхности, S (Вт / м 2 ), рассчитывается по [24]

(9) S = ταGT

Производительность двух коллекторов сравнивалась с использованием данных измерений.Солнечный воздушный коллектор с V-образным пористым поглотителем более или менее эффективен, чем солнечный воздушный коллектор с U-образным гофрированным поглотителем, в зависимости от режима излучения. Например, эффективность коллектора на основе V-пористого поглотителя выше ближе к полудню в ясные дни. Однако в начале и в конце ясных дней коллектор на основе пористого поглотителя менее эффективен, чем коллектор с гофрированным U-образным поглотителем (см. Таблицу 2).

4 Модели

Разработаны две модели для нестационарного режима; первый — для солнечного воздушного коллектора с гофрированным V-образным пористым поглотителем, второй — для солнечного воздушного коллектора с U-образным гофрированным поглотителем.

Температура поглотителя зависит от координаты в направлении потока воздуха. Были рассмотрены три узла для каждого типа солнечного воздушного коллектора (т.е. среднее значение температуры в стеклянной крышке, поглотителе и проходящем воздухе, соответственно). Основные уравнения получаются путем применения баланса энергии для каждого узла. Уравнения баланса энергии записываются при следующих предположениях:

  1. Температурный градиент по толщине стеклянной крышки отсутствует.

  2. Воздух не поглощает солнечное излучение.

  3. Тепловые потери через заднюю и боковые стороны коллектора в основном связаны с проводимостью через древесину (толщиной 3 см), а потери, вызванные ветром и тепловым излучением, не учитываются.

  4. Характеристики воздушного потока зависят от температуры.

  5. Температура воздуха на входе равна температуре окружающей среды.

  6. Предполагается, что все воздушные каналы не имеют утечек.

  7. Коллекторы обращены на юг (к полуденному солнцу в Бухаресте).

4.1 Зависящая от времени модель солнечного воздушного коллектора с гофрированным V-образным пористым поглотителем

Энергия, поступающая в солнечный коллектор, поступает от солнечного излучения, попадающего на поверхность поглотителя. Солнечное излучение проходит через стеклянную крышку и поглощается поглотителем. Воздух проходит через пористый поглотитель, где нагревается. Систему уравнений можно проиллюстрировать с помощью тепловых сетей.Модель состоит из трех узлов, соответствующих стеклянной крышке, воздушному потоку и сетчатому поглотителю соответственно. Подробности следующие.

4.1.1 Стеклянная крышка

Малая толщина крышки позволяет предположить, что свойства стекла постоянны, и, таким образом, учитывать равномерную температуру по всему стеклу. Между стеклом и окружающей средой происходит конвекционная теплопередача, а на стекло поступает излучение от солнца и от поглотителя. Изменение внутренней энергии стеклянного покрытия равно поглощенной энергии от солнца плюс энергия, передаваемая конвекцией и излучением от поглотителя минус исходящая энергия конвекции в окружающую среду минус исходящая энергия через излучение в небо (см.[12] в Приложении А).

4.1.2 Рабочая жидкость (воздух)

Тепловая энергия, полученная воздухом в коллекторе, равна тепловому потоку, передаваемому от поглотителя проволочной сетки к воздуху минус тепло, передаваемое от воздушного потока к стеклянной крышке минус чистая тепловая энергия, переносимая воздушным потоком из коллектора (см. уравнение [13] в Приложении A).

4.1.3 Сетчатый поглотитель

Изменение внутренней энергии поглотителя из проволочной сетки равно поглощенной энергии от солнца минус тепловая энергия, передаваемая за счет конвекции стеклу, минус радиационная теплопередача от поглотителя к стеклянной крышке ( см. ур.[14] в Приложении А).

4.2 Временная модель солнечного воздушного коллектора с U-образным гофрированным поглотителем

Другой солнечный воздушный коллектор состоит из стеклянной крышки, поглотителя и плоского деревянного дна, прикрепленного к задней изоляции снизу. Пространство между гофрированным U-образным поглотителем и деревянным днищем представляет собой воздушный канал, в котором воздух нагревается поглотителем солнечного излучения. Воздух проходит по гофрированному U-образному поглотителю. Была получена система трех дифференциальных уравнений для описания баланса энергии стекла, воздуха и пластины поглотителя соответственно.Подробности следующие.

4.2.1 Стеклянная крышка

Малая толщина крышки позволяет рассматривать равномерную температуру по всей поверхности. Тепло передается за счет теплопроводности от стекла к окружающей среде и от поглотителя к стеклу и за счет излучения солнца и поглотителя, соответственно, к стеклу. Один обозначает h c, pg (Вт / м 2 K) коэффициент конвективной теплопередачи между поглощающей пластиной и стеклянной крышкой, как h r, pg (Вт / м 2 ). K) коэффициент теплопередачи излучения между поглощающей пластиной и крышкой, на h c, g-amb (Вт / м 2 K) коэффициент конвективной теплопередачи между стеклянной крышкой и окружающей средой и на h r, g-sky (Вт / м 2 K) коэффициент радиационной теплопередачи между покровом и небом.Энергетический баланс в стеклянной крышке определяется уравнением. (15) в Приложении A.

4.2.2 Рабочая жидкость (воздух)

Энергетический баланс может быть выражен аналогичным образом для воздуха, протекающего внутри канала коллектора, и представляет собой изменение теплоемкости воздуха во времени (см. Ур. [16] в Приложении A). Правая часть равна теплообмену между пластиной абсорбера и воздухом, протекающим через коллектор, за вычетом количества тепла, отбираемого из коллектора за счет расхода воздуха.

4.2.3 Пластина поглотителя

Уравнение баланса энергии включает изменение теплоемкости пластины поглотителя с течением времени. Он равен входному потоку солнечной энергии, поглощаемому поглотителем, за вычетом потока тепловой энергии, передаваемой конвекцией от пластины поглотителя в воздух, и за вычетом радиационного теплового потока и конвективного теплового потока, соответственно, передаваемых от поглотителя к стеклянной крышке ( см. уравнение [17] в Приложении A).

4.3 Модели, зависящие от места

Для воздуха, проходящего через воздушный канал над термопреобразователями, на нижней поверхности пластин поглотителя (см. Рисунок 7), уравнение стационарного баланса энергии записывается для определенного положения на канал (см. ур.[18] в Приложении А). Учитывается конвекционная теплопередача между текущим воздухом и стеклянной крышкой, а также тепло, передаваемое между пластиной поглотителя и воздухом.

5 Процедура решения модели

Начальное распределение температуры в компонентах коллектора необходимо при решении наборов трех дифференциальных уравнений первого порядка, представленных в разделах 4.1 и 4.2, соответственно. Также должны быть известны мгновенные граничные условия, включая солнечное излучение, температуру окружающей среды и массовый расход рабочей жидкости (воздуха).

Модель имеет четыре входных параметра, а именно температуру окружающей среды, солнечное излучение, температуру на входе и скорость ветра. Свойства коллектора также являются входными данными для модели. Все эти параметры считываются из файлов входных данных. Модели рассчитывают температуру на выходе и сравнивают ее с измеренной температурой на выходе. Кроме того, модели рассчитывают температуру поглотителя, температуру стеклянного покрытия, среднюю температуру воздуха и тепловой КПД коллекторов.

Система трех дифференциальных уравнений первого порядка решалась методом Рунге – Кутта четвертого порядка.Программный пакет, используемый для кодирования модели, — это MATLAB версии R2012a.

6 Проверка моделей

Модели были проверены путем сравнения результатов моделирования с данными измерений. Эксперименты проводились одновременно для обоих солнечных коллекторов воздуха в Бухаресте в сентябре и октябре 2014 года. На Рисунке 8 показано изменение во времени солнечного излучения и температуры окружающей среды в течение 3 дней.

Рисунок 8:

Изменение температуры окружающей среды и солнечного излучения в течение 3 дней в Бухаресте, Румыния.

Эти два коллектора были испытаны на одной экспериментальной установке и в одних и тех же метеорологических условиях. Таким образом, сравнение считается истинной оценкой производительности. Эксперименты показывают, что в большинстве случаев коллектор на основе V-гофрированного пористого поглотителя более эффективен, чем коллектор на основе U-гофрированного поглотителя. Воздушный поток, проходящий через отверстия пористого коллектора, способствует увеличению площади поверхности теплообмена на единицу объема и, следовательно, повышению теплового КПД по сравнению с U-образным гофрированным коллектором.Эффективность коллектора на основе V-гофрированного пористого поглотителя выше ближе к полудню ясных дней, в то время как в начале и в конце ясных дней коллектор на V-гофрированном пористом поглотителе менее эффективен, чем коллектор с V-образным гофром. Поглотитель с U-образным гофром (см. Таблицу 2). Частично это можно объяснить более низкой оптической эффективностью пористого поглотителя при больших углах падения из-за цилиндрической формы сетчатых волокон.

Таблица 2:

КПД коллектора с V-образным гофрированным пористым поглотителем и V-образным гофрированным поглотителем, соответственно, в разное время в ясный день 22 сентября 2014 г.

4
Время Солнечное излучение G (Вт / м 2 ) V-гофрированный пористый поглотитель U-гофрированный поглотитель
222 0,150 0,158
10:00 460 0,163 0,150
11:00 791 0,262 0,262

0,262 0.545 0,394
13:00 1,118,5 0,621 0,483

Результаты измерений и моделирования температуры стекла, температуры абсорбера, температуры окружающей среды и температуры выходящего воздуха показаны на рисунке 9. В целом , смоделированные значения следуют той же тенденции, что и измеренные значения. Отклонение от измеренной температуры больше в начале экспериментов, а затем становится меньше. Например, разница между смоделированной и измеренной температурой воздуха на выходе для коллектора с V-образным гофрированным пористым поглотителем составляет около -7 ° ранним утром 29 сентября 2014 г., но уменьшается почти до 0 ° после 7 минут работы (рис. 9). .Довольно похожие результаты были получены для того же коллектора 10 октября 2014 года. Первоначальная большая разница между моделированием и измерениями объясняется тепловой инерцией коллектора, которая усиливается, когда начинается воздушный поток. Аналогичные результаты получены в случае коллектора с гофрированным U-образным поглотителем, но в этом случае начальная смоделированная температура выше измеренной температуры (см. Рисунок 9). Кроме того, временной интервал, необходимый для того, чтобы разница между моделируемой и измеренной температурой стала почти равной нулю, составляет около 18 минут (см. Результаты за 10 октября 2014 г.).Частично это можно объяснить большей тепловой инерцией коллектора на основе U-гофрированного поглотителя, чем у коллектора на основе V-образного пористого поглотителя.

Рисунок 9:

Изменение во времени нескольких расчетных и измеренных температур в течение нескольких дней в сентябре и октябре 2014 года. Рассмотрены коллекторы, основанные как на пористом поглотителе с V-образным гофром, так и на поглотителе с U-образным гофром. Расход воздуха 0,33 кг / с.

Два статистических показателя, а именно относительная среднеквадратичная ошибка (rRMSE) и ошибка относительного среднего смещения (rMBE), были использованы для оценки производительности модели.Они определены следующим образом:

(10) rRMSE = ∑i = 1n (Ci − Mi) 2 / n1 / n∑i = 1nMi

(11) rMBE = ∑i = 1nCi − Mi∑i = 1nMi

, где C i и M i — это расчетные и измеренные значения соответственно, а n — количество наблюдений.

Результаты представлены в Таблице 3. Существует хорошее согласие между результатами моделирования и измерениями. В целом модель, разработанная для коллектора на основе гофрированного поглотителя с U-образным профилем, работает несколько лучше, чем модель коллектора на основе пористого поглотителя с V-образным гофром.

Таблица 3:

Сравнение результатов моделирования и измерений.

Статистические показатели V-образный пористый поглотитель U-образный гофрированный поглотитель
T 5 a, среднее значение a, выход Q u η T a, среднее значение

3 a, среднее значение

5

Q u

η
Rrmse 0.0400 0,0042 0,1034 0,1036 0,0147 0,0044 0,0084 0,0843
rMBE -0,0390 -0469

0664 -0469

0,0014 0,0014

Интересно сравнить результаты, полученные с помощью простой стационарной модели ур. (8) и результаты, полученные с использованием модели на основе нестационарных дифференциальных уравнений, предложенной в данной статье.Уравнение (8) использовалось следующим образом. В течение дня использовались постоянные значения оптической эффективности (τα) и общего коэффициента теплопотерь UL. Затем были использованы экспериментальные значения за 29 сентября для солнечной освещенности G, температуры окружающей среды Tamb и полезного теплового потока Q˙u, соответственно. Таким образом, ур. (8) решалась в единственной неизвестной температуре Tma. На рисунке 10 показано значение средней температуры воздуха Tma, полученное с помощью этой процедуры на основе стационарного уравнения. (8) (которая обозначена как «измеренная») и значение Tma, полученное с использованием модели, предложенной в этой статье (которая обозначена как «вычисленная»).Оба ряда температуры Tma связаны с началом работы и соответствуют постоянному массовому расходу воздуха 0,33 кг / с. Как правило, стационарная модель обеспечивает значения температуры на несколько градусов меньше, чем динамическая модель. Стационарная модель лучше работает в случае коллектора на основе V-гофрированного пористого поглотителя.

Рисунок 10:

Средняя температура воздуха Tma, полученная с помощью уравнения для установившегося состояния. (8) (обозначены как «измеренные») и модели, предложенные в этой статье (обозначенные как «рассчитанные») для обоих солнечных коллекторов воздуха.Результаты соответствуют началу операции. Постоянный массовый расход воздуха 0,33 кг / с был рассмотрен 29 сентября 2014 года.

Обратите внимание, что для обеспечения одинаковых условий движения воздуха в обоих коллекторах (т.е. одинаковое потребление энергии при одинаковой массе расход предусмотрен в обоих коллекторах) на входной части коллектора размещена металлическая сеть с гофрированным U-образным поглотителем. Характеристики сети были такими же, как у коллектора с гофрированным пористым поглотителем.Добавляя несколько металлических листов сети и контролируя энергопотребление вентиляторов, можно получить одинаковые условия потока для внутреннего движения воздуха или, другими словами, одинаковые потери давления на обоих коллекторах. Более того, для обоих коллекторов потери давления контролировались датчиками давления, размещенными на одинаковом расстоянии от выхода (см. Рисунок 3).

Массовый расход включен в модели в качестве входного параметра, но энергия, необходимая для создания этого массового расхода, не учитывается в расчетах энергетического баланса и эффективности.Использование пористого материала действительно повысило бы тепловые коэффициенты и, таким образом, повысило бы эффективность солнечных коллекторов. Однако это также увеличит силу сопротивления, так что для поддержания постоянного массового расхода может потребоваться больше энергии, что приведет к снижению эффективности.

Полезно оценить приближение, вызванное пренебрежением энергией, необходимой для перемещения воздуха внутри коллекторов. Мы выбрали период времени в 20 минут с 12:00 29 сентября.Полезное тепло, собираемое коллектором на основе пористого поглотителя, составляет 604 052 Дж. Мощность вентилятора составляет 18 Вт. В течение 20-минутного интервала потребляемая вентилятором электрическая энергия составляет 21 600 Дж (электрическая энергия). Эта энергия составляет 21600/604 052 = 3,57% полезной тепловой энергии, обеспечиваемой воздушным солнечным коллектором. Чтобы определить, сколько тепловой энергии потребляется электростанцией для производства этого количества электроэнергии, нужно умножить значение электроэнергии на 3,5, что является средним коэффициентом производительности электростанций в Румынии.Результат — 75 600 Дж (тепловая энергия). Эта тепловая энергия составляет 75 600/604 052 = 12,5% полезной тепловой энергии, обеспечиваемой воздушным солнечным коллектором. Следовательно, пренебрежение электрической энергией, необходимой для переноса воздуха в коллектор, является вполне разумным предположением.

Типичное пространственное распределение температуры воздуха вдоль воздушных каналов показано на рисунках 11 и 12 для обоих типов солнечных коллекторов для двух уровней освещенности. Были рассчитаны средние температуры воздуха для четырех линий термопреобразователей.Средняя температура является функцией положения внутри воздушного канала (здесь рассматривались четыре положения, а именно X 1 = 19,5 см, X 2 = 56,5 см, X 3 = 93,5 см. и X 4 = 140,5 см, как показано на рисунке 3).

Рисунок 11:

Изменение средней температуры воздуха в коллекторе с V-образным гофрированным пористым поглотителем в пространстве.

Рисунок 12:

Изменение средней температуры воздуха в коллекторе с U-образным гофрированным поглотителем в пространстве.

Средняя температура воздуха повышается по мере движения воздуха по воздушному каналу, как и ожидалось. Кроме того, средние температуры имеют небольшую тенденцию к снижению вблизи выхода из воздухонагревателя. Эта тенденция объясняется конечным расхождением и эффектами охлаждения, а также смешиванием выходящего горячего воздуха с окружающим воздухом из-за рециркуляции.

В большинстве экспериментов изменение температуры коллектора составляет менее 5 ° для обоих коллекторов. Однако это изменение температуры может достигать 10 ° в пористом коллекторе с V-образным рифлением при высоких значениях падающего излучения (рис. 11).Модель основана на средней температуре внутри коллектора. Таким образом, недооценка на входе в коллектор хорошо компенсируется завышением на выходе из коллектора, о чем свидетельствует хорошее согласие между расчетными и экспериментальными результатами (см. Таблицу 3).

Обратите внимание, что разница температур между средней измеренной температурой и средней температурой, рассчитанной по ур. (18) (в Приложении А) составляет от 1,5 до 2 °. На изменение температуры воздуха влияет тип поглотителя и уровень солнечного излучения.Рисунки 11 и 12 показывают, что температура имеет тенденцию к увеличению с увеличением солнечного излучения.

7 Выводы

Работа солнечных коллекторов воздуха в реальных условиях, включая колебания падающей солнечной радиации, по своей сути динамична. Представлены явные нестационарные модели солнечных коллекторов воздуха с пористым поглотителем и без него, пригодные для моделирования динамических систем. Были рассмотрены два конкретных воздухонагревателя: пористый коллектор с гофрированным V-образным профилем и коллектор с гофрированным U-образным профилем.Обратите внимание, что абсорберы с V-образным рифлением рассматривались в предыдущих статьях, но смоделированные здесь пористые абсорберы с V-образным рифлением не очень часто рассматривались в литературе. Серия экспериментов была проведена при различных погодных условиях в Бухаресте, Румыния.

Результаты показывают хорошее согласие между теоретическими результатами и экспериментами. Среднеквадратичное значение среднеквадратичного отклонения составило около 10,36% и 8,43% для солнечных коллекторов с пористым поглотителем с гофрированным V-образным профилем и поглотителем с гофрированным U-образным профилем соответственно.

Экспериментальное сравнение тепловых характеристик двух коллекторов было выполнено в широком диапазоне конфигураций и рабочих условий. Коллектор на основе пористого поглотителя с V-образным гофром имеет более высокий КПД, чем коллектор с гофрированным U-образным гофром в середине ясных дней. В период восхода и захода солнца коллектор с гофрированным U-образным поглотителем более эффективен.

Авторы благодарят рецензентов за полезные комментарии и предложения. Один автор (QAA) благодарит Министерство высшего образования Ирака за финансовую поддержку при подготовке этой работы.

Приложение A: Уравнения баланса энергии

Модель солнечного коллектора воздуха с гофрированным V-образным пористым поглотителем

  1. Стеклянная крышка

    (12) MgCpgdTgdt = αgGAc + hc, a − gAabTma − Tg + hr , p − gAabTp − Tg − hc, g − ambAcTg − Tamb − hr, g − skyAcTg − Tsky

  2. Рабочая жидкость (воздух)

    (13) MaCpadTadt = hc, p − aAabTp − Tma − hc , a − gAabTma − Tg − maCpaTa, out − Ta, in

  3. Сетчатый поглотитель

    (14) MpCppdTpdt = ταGAc − hc, p − aAabTp − Tma − hr, p − gAabTp − Tg

    Модель солнечного коллектора воздуха с U-образным поглотителем

    1. Стеклянная крышка

      (15) MgCpgdTgdt = αgGAc + hc, p − ghcp − gAabTp − Tg + − hr, p − gAabTp − Tg , g − ambAcTg − Tamb − hr, g − skyAcTg − Tsky

    2. Рабочая жидкость (воздух)

      (16) MaCpadTmadt = hc, p − aAabTp − Tma − m˙aCpaTa, out − Ta, дюйм

    3. Пластина абсорбера

      (17) MpCppdTpdt = τ αGAc − hc, p − aAabTp − Tma − hr, p − gAabTp − Tg − hc, p − gAabTp − Tg

    Пространственно-зависимые модели

    (18) MaCpadTadx = hc, p − aAabTp − Ta − hc, a − gAabTa − Tg

    Приложение B: Определение коэффициентов теплопередачи

    Коэффициенты теплопередачи за счет конвекции от стеклянной крышки за счет ветра равны [25]

    (19) hc, g − amb = 5.7 + 3.8vwind

    Коэффициент радиационной теплопередачи от стеклянной крышки к небу равен [26]

    (20) ч, g − sky = σεgTg + TskyTg2 + Tsky2

    Небо считается черным телом при некоторой фиктивной температуре неба, Tsky. Поскольку температура неба является функцией многих параметров, правильно ее оценить сложно. Исследователи оценили это, используя разные корреляции. Одно из широко используемых уравнений для ясного неба из-за [24]:

    (21) Tsky = Tamb − 6

    Средняя температура воздуха рассчитывается как среднее между температурами воздуха на входе и выходе коллектора:

    (22) Tma = Ta, out + Ta, in2

    В пористом поглотителе число Нуссельта для коэффициента конвекции от воздуха до стеклянной крышки в случае числа Рейнольдса и числа Прандтля 5 × 10 5 < Re a <10 7 и 0.5 < Pr a <2,000, соответственно, это [27]

    (23) Nua − g = 0,664⋅Rea0,5⋅Pra1 / 32 + 0,073Rea0,8Pra1 + 2Rea − 0,1Pra2 / 3−12

    Для Pra≤0,05,

    (24) Nua − g = 0,565⋅Rea⋅Pra

    Для других значений числа Прандтля

    (25) Nua − g = 0,0296⋅Rea4 / 5⋅Pra1 / 3

    Наиболее важное соотношение теплопередачи — между поглотителем и воздушным потоком. Принудительная конвекция — преобладающий режим теплопередачи. Уравнение числа Нуссельта для проволочной сетки, разработанное в [28], имеет вид

    (26) Nup − a = 4 × 10−4Rea1.22PtDh0.625s10Pt2.22110Pt2.66exp − 1.25lns10Pt2exp − 0.824lnl10Pt2

    Также число Нуссельта для расчета конвективной теплопередачи между U-образной гофрированной пластиной воздуху в случае ламинарного потока ( Re a <2300), [29] - это

    (27) Nup-a = 5,4 + (0,0019 × (ReaPra (Dh / L)) 1,71) (1 + 0,00563 × (ReaPra (Dh / L)) 1,71)

    Для переходного потока (2,300 < Re a > 6000) [15],

    (28) Nup − a = 0,116 × Rea2 / 3−125 × Pra1 / 3 × 1 + DhL2 / 3 × vavw0.14

    Для турбулентного потока (6000 < Re a , 10 < L / D h <400),

    (29) Nup-a = 0,036 × (Rea) 0,8 × Pra1 / 3 × (Dh / L) 0,055

    Характеристики потока при принудительной конвекции обычно описываются числом Рейнольдса:

    (30) Rea = vaLμa

    Коэффициент конвективной теплопередачи для воздуха, движущегося внутри воздушного канала, равен

    (31) hc, p − a = NuakaDh

    Коэффициент радиационной теплопередачи между стеклянной крышкой и поглотителем для обоих типов коллекторов рассчитывается по формуле

    (32) ч, p-g = σ (Tp + Tg) (Tp2 + Tg2) (1 / εp) + (1 / εg) −1

    Ссылки

    [1] D.Дович и М. Андраши, Численный анализ тепловых характеристик плоских и гофрированных пластинчатых солнечных коллекторов, J. Solar Energy 86 (2012), 2416–2431. Искать в Google Scholar

    [2] Н. Хитеш Панчал, Н. Сони, М. Праджапти, Д. Патель, У. Сони, Дж. Праджапти и др., Экспериментальное исследование двухходового воздухонагревателя с гофрированной пластиной поглотителя и amul cool алюминиевые банки, внутр. J. Adv. Англ. Technol. 11 (2011), 324–328. Искать в Google Scholar

    [3] М. Варун, Р. Сайни и С.Сингал, Обзор геометрии шероховатости, используемой в солнечных воздухонагревателях, J. Solar Energy 81 (2007), 1340–1350. Искать в Google Scholar

    [4] А. Ланжевар, Дж. Бхагория и Р. Сарвия, Теплопередача и трение в канале солнечного воздухонагревателя с W-образной шероховатостью ребра на пластине-поглотителе, J. Energy. 36 (2011), 4531–4541. Искать в Google Scholar

    [5] H. Chii-Dong, H., Y. Хо-Мин и Ч. Цзун-Чинг, Эффективность коллектора восходящих двухходовых солнечных воздухонагревателей с прикрепленными ребрами, Int. Commun.Тепломассообмен 38 (2011), 49–56. Искать в Google Scholar

    [6] М. Ян, X. Ян, X. Ли, З. Ван и П. Ван, Проектирование и оптимизация солнечного воздухонагревателя со смещенной пластиной-ребром абсорбера, Прил. Энергия 113 (2014), 1349–1362. Поиск в Google Scholar

    [7] М. Сабзпушани, К. Мохаммади и Х. Хорасанизаде, Оценка эксергетических характеристик однопроходного солнечного воздухонагревателя с перегородкой, Energy 64 (2014), 697–706. Искать в Google Scholar

    [8] W. Chang, Y. Wang, M.Ли, Х. Луо, С. Чжан, Ю. Руан и др., Теоретические и экспериментальные исследования тепловых характеристик солнечного воздушного коллектора с оребренным поглотителем, Энергетические процедуры 70 (2015), 13–22. Искать в Google Scholar

    [9] С. Гурприт и С. Сидху, Улучшение теплопередачи солнечного воздухонагревателя, шероховатого с помощью круглого поперечного ребра жесткости, Int. Adv. Res. J. Sci. Англ. Technol. 1 (2014), 196–200. Искать в Google Scholar

    [10] В. Гао, В. Линь и Э. Лу, Численное исследование естественной конвекции внутри канала между плоской крышкой и поглотителем синусоидальной волны гофрированного солнечного воздухонагревателя, Energy Беседы.Управлять. 41 (2000), 145–151. Искать в Google Scholar

    [11] В. Линь, В. Гао и Т. Лю, Параметрическое исследование тепловых характеристик солнечных коллекторов с поперечным гофром, Appl. Therm. Англ. 26 (2006), 1043–1053. Поиск в Google Scholar

    [12] В. Гао, В. Линь, Т. Лю и К. Ся, Аналитические и экспериментальные исследования тепловых характеристик солнечных воздухонагревателей с поперечным гофром и плоскими пластинами, Прил. Энергия 84 (2007), 425–441. Искать в Google Scholar

    [13] Карим М., Э.Перес, З. Амин, Математическое моделирование противоточного солнечного коллектора V-Grove, J. Renewable Energy 67 (2014), 192–201. Искать в Google Scholar

    [14] М. Факур Пакдаман, А. Лашкари, Х. Басират Тебризи и Р. Хоссейни, Оценка производительности солнечного воздухонагревателя с естественной конвекцией и пластиной-поглотителем с прямоугольными ребрами, Energy Convers. Управлять. 52 (2011), 1215–1225. Поиск в Google Scholar

    [15] Л. Тао, Л. Вэньсянь, Г. Вэньфэн и Х. Чаофэн, Сравнительное исследование тепловых характеристик солнечных коллекторов с поперечным рифлением и V-образной канавкой, Int.J. Green Energy 4 (2007), 427–451. Поиск в Google Scholar

    [16] А. Анурадха и Р. Оммен, Изготовление и оценка производительности солнечного воздухонагревателя с v-образной канавкой, Int. J. Sci. Англ. Res. 4 (2013), 2072–2080. Искать в Google Scholar

    [17] Н. Пайсарн и К. Банча, Теоретическое исследование характеристик теплопередачи и производительности плоских солнечных воздухонагревателей, Int. Commun. Тепломассообмен 30 (2003), 1125–1136. Искать в Google Scholar

    [18] M. El-Khawajah, F.Эгелиоглу и М. Газал, Оребренные однопроходные солнечные воздухонагреватели с проволочной сеткой в ​​качестве поглощающей пластины, Int. J. Зеленая энергия 12 (2015), 108–116. Искать в Google Scholar

    [19] К. Сопиан, Супранто, В. Дауд, М. Отман и Б. Ятим, Тепловые характеристики двухходового солнечного коллектора с пористой средой и без нее, Возобновляемая энергия 18 (1999), 557 –564. Искать в Google Scholar

    [20] Д. Мунусвами, В. Мадхаван и М. Мохан, Сравнение влияния наночастиц Al2O3 и CuO на производительность плоского солнечного коллектора, J.Неравновесие. Термодин. 4 (2015), 265–273. Искать в Google Scholar

    [21] В. Мадади, Х. Бехешти, Т. Таваколи и А. Рахими, Экспериментальное исследование и анализ первого термодинамического закона солнечной системы водонагревателя, J. Non-Equilib. Термодин. 40 (2015), 171–183. Искать в Google Scholar

    [22] Д. Мунусвами и В. Мадхаван, Экспериментальный анализ влияния внутреннего оребрения на эффективность плоского солнечного коллектора с использованием наночастиц Al2O3, J. Non-Equilib. Термодин.40 (2015), 185–192. Искать в Google Scholar

    [23] К. С. Онг, Тепловые характеристики солнечных воздухонагревателей: математическая модель и методика решения, Sol. Энергия 55 (1995), 93–109. Искать в Google Scholar

    [24] Дж. А. Даффи и У. А. Бекман, Солнечная инженерия тепловых процессов, 2-е изд., John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1991. Искать в Google Scholar

    [25] WH McAdams, Heat Transmission, 3-е изд., McGraw-Hill, New York, 1954. Искать в Google Scholar

    [26] X.Чжай, Ю. Дай и Р. Ван, Сравнение отопления и естественной вентиляции в солнечном доме, вызванной двумя солнечными коллекторами на крыше, Прил. Thermal Eng. 25 (2005), 741–757. Искать в Google Scholar

    [27] VDI-Gesellschaft, Verfahrenstechnik Und Chemieingenieurwesen, VDI Heat Atlas, Springer Heidelberg, Dordrecht, London, New York, 2010. Искать в Google Scholar

    [28] Р. Сайни и Дж. Сайни, Корреляция теплопередачи и коэффициента трения для воздуховодов с искусственной шероховатостью с расширенной металлической сеткой в ​​качестве элемента шероховатости, Int.J. Тепломассообмен 40 (1997), 973–986. Искать в Google Scholar

    [29] Б. Бенамар и С. Рашид, Теоретическое исследование плоских однопроходных солнечных воздухонагревателей с ребрами и перегородками со стеклянной крышкой и без нее. 1-я Национальная конференция по возобновляемым источникам энергии и приложениям, 2014 г. Поиск в Google Scholar

    Получено: 29-29 2016

    Исправлено: 6-19 2016

    Принято: 13-7-13

    Опубликовано в Интернете: 2016-9-13

    Опубликовано в печати: 2017-1-1

    © 2017 De Gruyter Mouton

    % PDF-1.7 % 1 0 объект >>>] / OFF [] / Order [] / RBGroups [] >> / OCGs [6 0 R] >> / Pages 3 0 R / StructTreeRoot 7 0 R / Тип / Каталог >> эндобдж 5 0 obj > / Шрифт >>> / Поля [] >> эндобдж 2 0 obj > поток 2016-11-02T16: 45: 56 + 01: 002016-11-02T16: 45: 56 + 01: 002016-11-02T16: 45: 56 + 01: 00Microsoft® Word 2016application / pdf

  4. raffaella
  5. uuid: 0583bf4f-dbc3-438c-aa14-ee780205445cuuid: da4ca4b9-7c21-4bc2-8d55-52f9a0496c8b Microsoft® Word 2016 конечный поток эндобдж 3 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 219 0 объект > эндобдж 220 0 объект > эндобдж 221 0 объект > эндобдж 222 0 объект > эндобдж 223 0 объект > эндобдж 224 0 объект > эндобдж 225 0 объект > эндобдж 226 0 объект > эндобдж 227 0 объект > эндобдж 228 0 объект > эндобдж 229 0 объект > эндобдж 230 0 объект > эндобдж 231 0 объект > эндобдж 232 0 объект > эндобдж 233 0 объект > эндобдж 234 0 объект > эндобдж 236 0 объект > эндобдж 16 0 объект > / MediaBox [0 0 595.} [, HSb · / I; | meJk {gHFO ׼ V ٕ (; My% _Dz7M ڟ & jS}} nUY! CJ_ | «cj \ .d = p @ Qn | «–eqR6Q @ gB3

    % PDF-1.7 % 2448 0 объект > эндобдж xref 2448 74 0000000016 00000 н. 0000003782 00000 н. 0000004022 00000 н. 0000004059 00000 н. 0000004698 00000 н. 0000004727 00000 н. 0000004883 00000 н. 0000005249 00000 н. 0000005931 00000 н. 0000005970 00000 н. 0000006021 00000 н. 0000006072 00000 н. 0000006187 00000 н. 0000006300 00000 н. 0000006400 00000 н. 0000007058 00000 н. 0000007754 00000 н. 0000007869 00000 п. 0000009972 00000 н. 0000010545 00000 п. 0000010635 00000 п. 0000011202 00000 п. 0000011852 00000 п. 0000012287 00000 п. 0000012685 00000 п. 0000013158 00000 п. 0000015809 00000 п. 0000020004 00000 п. 0000026824 00000 п. 0000032789 00000 п. 0000032861 00000 п. 0000033358 00000 п. 0000034005 00000 п. 0000034029 00000 п. 0000034108 00000 п. 0000040067 00000 п. 0000088798 00000 п. 0000089215 00000 п. 0000089284 00000 п. 0000089402 00000 п. 00000

    00000 п. 00000

    00000 п. 00000 00000 н. 0000094452 00000 п. 0000094493 00000 п. 0000094558 00000 п. 0000095370 00000 п. 0000095421 00000 п. 0000095453 00000 п. 0000095530 00000 п. 0000096719 00000 п. 0000097056 00000 п. 0000097125 00000 п. 0000097244 00000 п. 0000097276 00000 н. 0000097353 00000 п. 0000100164 00000 н. 0000100500 00000 н. 0000100569 00000 н. 0000100689 00000 н. 0000101878 00000 п. 0000140825 00000 н. 0000141342 00000 н. 0000162395 00000 н. 0000181914 00000 н. 0000237976 00000 н. 0000239588 00000 н. 0000242673 00000 н. 0000244285 00000 н. 0000246459 00000 н. 0000289081 00000 н. 0000441683 00000 н. 0000003562 00000 н. 0000001816 00000 н. трейлер ] / Назад 2074405 / XRefStm 3562 >> startxref 0 %% EOF 2521 0 объект > поток hV} Pu> 7G ۄ мМ` * 3ɛ & lTr 2La4y թ boH7 | ɬeɕ4 .; CJˮIS ~? {~

    Типы солнечных систем горячего водоснабжения в Орландо

    В системах с замкнутым и открытым контуром могут использоваться плоские пластинчатые коллекторы или вакуумные трубчатые коллекторы для нагрева воды с помощью солнечной системы горячей воды в Орландо .

    Солнечная система нагрева воды с дренажем

    В системах слива воды в качестве теплоносителя (HTF) в контуре коллектора используется дистиллированная вода. Насос прокачивает воду по коллекторам.Вода самотеком стекает в накопительный бак и теплообменник; нет клапанов, которые могут выйти из строя, и система полностью не находится под давлением. Когда насосы выключены, коллекторы пусты, что обеспечивает защиту от замерзания, а также позволяет системе отключаться, если вода в накопительном баке становится слишком горячей.

    Поскольку в качестве теплоносителя используется вода, ее никогда не нужно менять, как системы антифриза под давлением. Большинство правил водоснабжения не требуют использования теплообменников с двойными стенками для систем слива с дистиллированной водой.

    Преимущества этой системы

    • В системе нет обратных клапанов, вентиляционных отверстий, манометров и расширительных баков.

    • Невозможно перевернуть термосифон ночью.

    • Дренажные системы могут перегревать системы антифриза до 8%.

    • Необходимо использовать трубы большего размера (медная труба 3/4 ″) и изоляция.

    • Компоненты дренажной системы стоят примерно на 15-20% больше, чем активная открытая прямая петля солнечная вода система отопления для нагрева воды в жилых домах.

    Солнечная система нагрева воды с открытым контуром

    Это самая простая и, как правило, наименее дорогая в установке активная система. Теплообменник отсутствует, что позволяет эффективно передавать тепло непосредственно воде. Система работает при стандартном линейном давлении.

    Дифференциальный контроллер сравнивает температуру датчика, расположенного на солнечном коллекторе, с температурой датчика, расположенного на дне резервуара для хранения горячей воды (там, где у вас более холодная вода).Когда солнечный коллектор теплее воды на дне резервуара на 4 или 5 градусов, дифференциальное управление активирует небольшой циркуляционный насос, который забирает холодную воду из нижней части резервуара для хранения горячей воды и направляет ее через солнечную батарею. коллекционер. Вода, нагретая солнечными батареями, возвращается в верхнюю часть бака.

    Другая версия этой системы использует небольшую фотоэлектрическую панель (солнечное электричество) для управления циркуляционным насосом постоянного тока (DC).

    Системы прямого разомкнутого цикла подходят для мягкого и умеренного климата, где замерзание минимально.

    Как работает защита от замерзания:

    Дифференциальный контроллер использует циркуляционный насос для циркуляции теплой воды из накопительного бака через коллекторы и трубопроводы в редкие вечера, когда температура приближается к нулю.

    Существует дополнительный резервный клапан замораживания, расположенный на коллекторе, который активируется путем подачи воды из коллектора на крышу, когда температура приближается к нулю.

    Преимущества этой системы

    — Прямая система обеспечивает наивысшие эксплуатационные характеристики, поскольку отсутствуют потери тепла в ночное время из-за горячей воды, хранящейся на крыше, как в пассивной системе, и не происходит потери эффективности из-за теплообмена. процесс как в замкнутой системе.

    -Питьевая вода из резервуара для горячей воды циркулирует непосредственно через коллектор.

    В результате вода нагревается от 140 до 160 градусов, в результате, открывая кран, вы смешиваете (добавляете) больше холодной воды с меньшим количеством горячей воды, поддерживая больше свободной воды, нагретой солнечными батареями, ожидающей использования. Также есть клапан от ожогов, который предотвращает поражение или травму, если только включит горячую воду.

    Пассивные солнечные водонагревательные системы

    Пассивные системы можно разделить на два типа: термосифонные и накопительные со встроенными коллекторами (ICS).

    Пассивная солнечная вода Системы отопления популярны благодаря присущей им простоте и надежности, отсутствию насосов, контроллеров или проводки.

    Накопительный бак расположен на крыше, и холодная вода из города или колодца течет прямо в коллектор на крыше, где она нагревается, а затем течет в обычный водонагреватель объемом 40 или 60 галлонов, расположенный на уровне земли. , и у вас есть запас горячей воды в резервуаре на ночь. Если у вас есть большие утренние заправки горячей воды (например, душ или ванна), большая часть собранной тепловой энергии, возвращающейся в ваш резервуар, теряется за ночь, тем самым экономя вам 50-60% ваших долгосрочных затрат на электроэнергию для горячей воды по сравнению с примерно Экономия 85% с помощью активной солнечной водонагревательной системы с открытым контуром.

    В случае термосифонной системы изолированный резервуар на крыше, расположенный над коллектором, снизит потерю накопленного тепла в ночное время, но это не эстетично. Эти виды более популярны на островах.

    Солнечная система водяного отопления с активным замкнутым контуром

    Насосы обеспечивают циркуляцию нетоксичного теплоносителя (HTF) через коллекторы и теплообменник.Они популярны в климате, склонном к постоянным отрицательным температурам.

    Эти системы перекачивают теплоносители (обычно гликоль, одобренный FDA) через коллекторы. Теплообменники передают тепло от жидкости к бытовой воде, хранящейся в резервуарах. Гликолевые системы с замкнутым контуром обеспечивают хорошую защиту от замерзания. Однако гликоль необходимо проверять каждый год и менять каждые 3-10 лет, в зависимости от качества гликоля и температуры системы. Как правило, они более сложны, чем система с прямым открытым контуром, потому что требуется либо бак с теплообменником, либо внешний теплообменник.Поскольку требуется теплообменник, коллекторный контур будет работать при несколько более высоких температурах, чем система с открытым контуром. Петля коллектора должна находиться под давлением (8-12 фунтов на квадратный дюйм).

    Может потребоваться дозаправка антифриза от 3 до 5 лет.

    Солнечные коллекторы с вакуумными трубками

    Они имеют параллельные ряды прозрачных стеклянных трубок. Каждая трубка содержит стеклянную внешнюю трубку и металлическую трубку-поглотитель, прикрепленную к ребру.Покрытие ребра поглощает солнечную энергию, но препятствует потерям лучистого тепла. Эти коллекторы чаще используются в коммерческих приложениях.

    Отводные трубы лучше для солнечного нагрева воды?

    Мы не рекомендуем монтируемые на крыше системы солнечных коллекторов с вакуумными трубами для ветровых зон, таких как Флорида. Хотя эти системы могут быть более эффективными, чем плоские солнечные коллекторы, только в пасмурную погоду система вакуумных трубчатых коллекторов напоминает группу люминесцентных лампочек на вашей крыше.

    Естественно, цилиндр с откачанной трубкой будет иметь минимальное сопротивление ветру, что хорошо. Но при ударе летящим предметом он будет иметь очень низкую ударопрочность. Современные плоские коллекторы имеют накладки из закаленного стекла, которые могут выдерживать прямые удары таких ветряных предметов, как кусок древесины.

    Вакуумные трубчатые коллекторы более популярны в Европе, где они могут быть более эффективными в частых пасмурных погодных условиях с более низкими средними температурами воздуха, чем во Флориде.

    Система водяного отопления без резервуара

    Экономит ли водонагреватель без резервуара больше денег, чем солнечный водонагреватель?

    Экономия 20% на безрезервуаре по сравнению с экономией до 85% на солнечном нагреве воды — это реальность, стоящая за вашей экономией на счетах за электроэнергию, однако фактор удобства мгновенного горячего водоснабжения является преобладающим преимуществом безрезервуарной системы водяного отопления. Вот почему: вода, которую вы используете, все равно должна быть нагрета: количество энергии, необходимое для нагрева галлона воды до определенной температуры, не меняется только потому, что он нагревается с большей скоростью.

    Безбаковый водонагреватель исключает затраты энергии только на поддержание температуры воды, которая уже была нагрета и находится в накопительном баке в ожидании использования. Потери в режиме ожидания (примерно 5 минут в час)

    Таким образом, безбаковый водонагреватель экономит от 15 до 20% затрат на нагрев воды по сравнению с солнечной батареей при 85% экономии по сравнению с обычным электрическим или газовым водонагревателем с резервуаром. .

    Бесконтактные водонагреватели все же имеют недостатки.По данным Министерства энергетики США, «Иногда… даже самая большая газовая модель не может обеспечить достаточно горячей воды для одновременного многократного использования… Одновременное принятие душа и включение посудомоечной машины может растянуть (без бака) водонагреватель до его предел ».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *