Блог

Apr 13, 2023

Детальное моделирование плоского солнечного коллектора с вакуумным остеклением

Дата: 20 марта 2023 Авторы: Вячеслав Шемелин и Томаш Матушка Академик

Дата: 20 марта 2023 г.

Авторы: Вячеслав Шемелин и Томаш Матушка

Академический редактор: Стоян Петреску

Источник: Хидави | https://doi.org/10.1155/2017/1587592

Представлен теоретический анализ плоских солнечных коллекторов с вакуумным остеклением. Различные конфигурации коллектора были исследованы с помощью подробной теоретической модели, основанной на комбинированном балансе внешней и внутренней энергии поглотителя. Были получены эксплуатационные характеристики альтернативных вариантов вакуумных плоских коллекторов. Впоследствии ежегодный прирост энергии был оценен для выбранного варианта и сравнен с современными вакуумными ламповыми коллекторами. Результаты моделирования показывают, что в случае использования современного вакуумного остекления с оптимизированным низкоэмиссионным покрытием (коэффициент излучения 0,20, коэффициент пропускания солнечной энергии 0,85) можно достичь показателей эффективности, аналогичных или даже лучших, чем у вакуумных трубчатых коллекторов. Представленную в статье конструкцию можно считать перспективной для расширения области применения ФПК и использовать в приложениях, требующих низкого и среднего уровня температур.

Термическое использование солнечной энергии для производства тепла из солнечного света является одним из старейших методов преобразования энергии. Эта технология известна и – иногда даже неосознанно – используется уже давно. За последние 45 лет он был заново открыт и снова использован. Сегодня он готов к применению, но после столь короткого периода роста в этой области существует большой потенциал для развития, особенно в области солнечных коллекторов.

На данный момент наиболее широко используемым типом солнечного коллектора в Европе является плоский солнечный коллектор (FPC). Его основными особенностями являются простая конструкция, высокая оптическая эффективность, низкая стоимость и безопасная эксплуатация. Однако FPC обычно рассчитан на низкий уровень температуры от 40°C до 60°C, что в основном характерно для систем горячего водоснабжения. Любой переход к более высокому температурному уровню может привести к расширению диапазона применимости FPC. Таким образом, усилия, направленные на улучшение характеристик плоских солнечных коллекторов, продолжаются. На производительность плоского солнечного коллектора во многом влияют тепловые потери от абсорбера в окружающую среду через прозрачную крышку. Одним из способов снижения этих теплопотерь является уменьшение естественной конвекции теплопередачи в пространстве между поглотителем и крышкой путем его перегородки с использованием дополнительного стекла, полиэтиленовой пленки или прозрачных изоляционных материалов (ТИМ). Другой способ уменьшить эти потери тепла — использовать вместо воздуха газ с более низкой теплопроводностью или вакуумировать пространство.

Вейнберг Б.П. и Вейнберг В.Б. [1] исследовали использование «глубоких узких ячеек» в качестве прозрачной для солнечной энергии сотовой изоляции. Далее Холландс [2] представил теоретические характеристики сотовых сот как устройства подавления конвекции, размещенного между поглотителем и внешней стеклянной крышкой ФПК. Табор [3] представил краткую картину сотовой конструкции, указав, что для успешного использования сотовой изоляции требуется материал с лучшими физическими свойствами и технологиями производства. Позже Роммель и Вагнер [4] продемонстрировали, что FPC, содержащий сотовые слои поликарбоната толщиной 50–100 мм, хорошо работает при рабочей температуре жидкости от 40 до 80°C. Кессентини и др. [5] представили ФПК с пластиковой прозрачной изоляцией и недорогой системой защиты от перегрева, предназначенную для подачи тепла от 80 до 120°С. Достижение более высоких рабочих температур до 260°C также возможно при использовании стеклянных сот, поскольку пластиковые крышки подвержены плавлению при температуре выше 120°C.

Свендсен и Йенсен [6] и Свендсен [7] экспериментально показали, что эффективность солнечного FPC можно значительно повысить, заполнив воздушный зазор между поглотителем и крышкой монолитным кремнеземным аэрогелем и откачав его до 10 кПа. Дуань [8] исследовал снижение потерь тепла на передней стороне за счет размещения слоя аэрогеля между прозрачной крышкой и пластиной поглотителя, показав увеличение эффективности коллектора на 21% по сравнению с обычным коллектором. Эти исследования показали, что конвективные тепловые потери значительно снижаются при использовании ТИМ за счет разделения пространства между поглотителем и крышкой, ограничивающего перенос тепла за счет конвекции, и, таким образом, достигается более высокая производительность ФПК. Результаты испытаний были обнадеживающими: были получены характеристики, сравнимые с показателями вакуумных трубчатых коллекторов.