Оглавление

8.2. Компоненты
8.2.1 Типы коллекторов

Солнечные воздушные системы могут отличатся в соответствии от типа абсорбера или типа коллекторного покрытия.

8.2.1.1 Разделение в зависимости от типа абсорбера потока.

Солнечные воздушные коллекторы можно разделить на четыре типа конструкций, в зависимости от способа передачи теплоносителя (воздуха) к абсорберу (см. Рисунок 8.2).


Рисунок 8.2 – Дизайны солнечных коллекторов в соответствии с типом передачи теплоносителя (воздуха) к абсорберу

Flow over absorber – Поток над абсорбером

Flow under absorber – Поток под абсорбером

Flow on both sides of absorber – Поток с обеих сторон абсорбера

Flow through absorber – Поток сквозь абсорбер

Absorber – Абсорбер

Glass cover – Зеркальное покрытие

Heat insulation on back – Теплоизоляция задней части


Поток над абсорбером

В этом случае, абсорбер лежит прямо на термоизоляции, и воздух, который нагревается, протекает над ним.

Поток под абсорбером

Этот тип абсорбера имеет воздушный канал между абсорбером и теплоизоляцией, через который и протекает воздух. Это предотвращает контакт протекающего входящего потока теплого воздуха с покрытием, что существенно уменьшает фронтальные конвективные потери теплоты.

Поток с обеих сторон абсорбера

В сравнении с потоком под абсорбером, здесь абсорбер обтекается воздухом вокруг обеих – нижней и верхней стороны. Теплопередача между абсорбером и воздухом таким образом увеличивается, но могут возникнуть тепловые потери в фронтальной стороны.

Поток через абсорбер (матричный коллектор)

В данном случае, абсорбер состоит из пористой пластины (также называемой абсорберной матрицей), через которую протекает воздух. Абсорберная матрица, к примеру, может быть сделана с шерсти или ткани (металлической или неметаллической). В такой конструкции может иметь место неблагоприятное возрастание падения давления, если абсорбент загрязняется пылью или грязью. Этот тип абсорбера часто используется на практике без тепловой изоляции, каркаса и прозрачного покрытия.

8.2.1.2 Классификация в соответствии к покрытию коллектора

Что касается жидкостных коллекторов, солнечные воздушные системы также имеют разновидности, в которых стремятся к самому простому и, следовательно, недорогому дизайну. Непокрытый воздушный коллектор имеет большую потерю тепла по сравнению с застекленным поглотителем благодаря отсутствии прозрачной крышки, и в частности, более высокой температуры поглотителя. Его эффективность, таким образом, ниже. Этот дизайн может, однако, представлять интерес, если работать с более низкой температурой поглотителя; в качестве примера – предварительно нагретый окружающий воздух (смотри Рисунок 8.8). Очень низкие тепло-производственные затраты могут быть получены из-за уменьшения материальных затрат и упрощения продукции с этим типом коллектора и с подходящими граничными условиями. Для приложений, в которых требуется высшая температура в солнечном воздушном коллекторе, выбираются изолированные и покрытые стеклом солнечные воздушные коллекторы.

8.2.1.3 Материал абсорбера

Для воздушных коллекторов с пластинчастым поглотителем, предпочтительно используются металлические материалы (такие как сталь, нержавеющая сталь, алюминий или медь). Для высшее упомянутых матричных абсорберов – шерстяных и тканей – используются металлические (стальная шерсть, проволочная стальная сетка) и не металлические материалы (например, хлопчатобумажная ткань, растительные волокна, полиэфирные волокна нетканого материала).

8.2.1.4 Покрытие абсорбера

Регенерация поглотителя из металлического материала очень распространена. В зависимости от способа регенерации, общая стоимость коллектора возрастает в разы. Селективные покрытия, которые сейчас распространены для жидкостных коллекторов, влекут за собою существенное увеличение цены и ограничение по объему производства. Для площади 700 м2 (7535 фут2) цена может возрости втрое. Таким образом, в качестве недорогих покрытий рекомендуется использовать черный термостойкий лак.

8.2.1.5 Производительность и факторы эффективности воздушных коллекторов

Долгое время не существовало такой процедуры проверки качества воздушных коллекторов, которую могли бы пройти производители и их продукция. В контексте исследовательской программы «Солнечное отопление и охлаждение», МЭА задача 19 «Воздушные солнечные системы» Международного Энергетического агенства, тестировка/сравнительные тесты были проведены с большинством продукции, представленной на рынке. Эти тесты определяют признаки, по которым можно легче определить и сравнить эффективность воздушных коллекторов, а также существенных влиятельных переменных. Для представления воздушных коллекторов важны два фактора.

Для коллекторов, которые работают в закрытом цикле (операции с циркулирующим воздухом), используется диаграмма, показывающая кривую эффективности по перепаду температур (см. Рисунок 8.3 слева). Тем не менее, с помощью тестов было показано, что средний коллектор или температура поглотителя не должны использоваться, а должны использоваться выходная температура. По этой причине не нужно сравнивать кривую эффективности на Рисунок3 с жидкостными коллекторами.

Для коллекторов, которые работают исключительно с приемом наружного воздуха, для представления эффективности более подходит функция массового потока (Рисунок 8.3 справа).

Для эффективного поглотителя тип образца поглотителя потока и температура передачи от поглотителя к воздушному потоку очень важны. В зависимости от применения, нужно находить конкретный баланс между этими параметрами. В жилых домах целью есть достижение конкретных температур с малым массовым потоком. Тем не менее, эффективность теплопередачи от поглотителя к воздушному потоку уменьшается. С другой стороны, эффективность теплопередачи возрастает с высшим потоком массы – хотя потеря давления в коллекторе в системе в целом увеличивается.


Рисунок 8.3. Кривые КПД воздушных коллекторов в зависимости от выходной температуры (слева) и массового потока (справа)

With 40 kg/(m2·h) mass flow and 3 m/s wind speed – С массовым потоком 40 кг/(м2·ч) и скоростью ветра 3 м/с

With 3 m/s wind speed – Со скоростью ветра 3 м/с

Operating coefficient [tA-tAir] / G [m2·K/W] – Рабочий коэффициент [tA-tAir] / G [м2·К/Вт]

Mass flow [kg/(m2·h)] – Массовый поток [кг/( м2·ч)]

tA = collector temperature – температура коллектора

G = global irradiance – общая облучаемость

Low iron, glazed collector with aluminium absorber designed as U-profile, selectively coated, flow under absorber (Manufacturer: Grammer, Schüco) – Застекленный коллектор с малым содержанием железа в конструкции, с алюминиевым абсорбером, сделанным в виде U-профиля, выборочно покрытый, с потоком под поглотителем (Изготовитель: Grammer, Schüco)

unglazed collector, trapezoidal Aluminium absorber (Manufacturer: Solarwall) – незастекленный коллектор, трапециевидный алюминиевый поглотитель (Изготовитель: Solarwall)

glazed absorber, varnished black, flow under absorber – застекленный поглотитель, лакированный, черный, поток под абсорбером

glazed absorber, varnished black, flow on both sides of the absorber – застекленный поглотитель, лакированный, черный, поток с обеих сторон поглотителя


8.2.1.6 Стандартные воздушные коллекторы

Стандартный коллектор типа b показан на Рисунок 8.4. Он имеет рамку, термоизоляцию по бокам и сзади, прозрачную стеклянную крышку и поглотитель. Поглотитель состоит с покрытых алюминием листов, вырезанных U-образно. Размещенные рядом, эти профили образуют ребристый профиль для передачи теплоты протекающему воздуху.


Рисунок 8.4. Схематическая конструкция воздушного коллектора с нижним потоком. Источник: Grammer, Amberg

Perforated absorber – Перфорированный поглотитель

aluminium profile – алюминиевый профиль

Insulation – Изоляция

mineral wool – минеральная шерсть

Cover – Покрытие

Single safety glass, low-reflection – одинарное защитное стекло, с низким коэффициентом отражения

Flange frame – фланцевая рама

Hot air – горячий воздух


Эти коллекторы имеют разные версии. Например, предлагается разная глубина, в зависимости от размеров системы. Увеличение объема потока воздуха достигается увеличением глубины в больших системах.

Кроме того, из-за определенной для потока последовательностей связей коллекторов, доступны также разнообразные модули. Средний коллектор подсоединяется узким концом к концу коллектора с помощью фланцевых соединений. На концах коллекторы имеют интегрированное воздушное соединение. Это соединение или разработано как часть трубы, например, чтобы отводить использованный воздух от здания через коллектор, или оно оснащено воздушным фильтром, встроенным в открытую заднюю часть для подведения свежего воздуха прямо через коллекторы.

8.2.1.7 Интеграция в крыши

Для новых зданий, или во время восстановлений, если запланировано интегрировать коллектор в крышу, площадь коллектора расположена и установлена в форме модуля. Используются прозрачные желоба поглотителей, чья высота зависит от требуемого потока воздуха (110-170 мм; 4.3-6.7 дюймов). Они предлагаются с гибкихми размерами 400-1200 мм (15.8-47.2 дюймов) на 1000-2500 мм (39.4-98.4 дюймов). Поверхность коллектора граничит с краем покрытия крыши. Для каждого ряда коллекторов на задней стенке желоба требуются две воздушные соединительные детали. Отклоняющий модуль используется для обеспечения прохождения потока воздуха через два коллектора. Наконец в желоб поглотителя помещено безопасное стекло. Коллекторы также могут размещаться на плоских крышах (см. Рисунок 8.5).

Рисунок 8.5. Воздушные коллекторы, расположенные на стойках на крыше здания завода. Источник: Grammer, Amberg

8.2.1.8 Фотогальванические интегрированные воздушные коллекторы

Сеточные независимые воздушные коллекторы

Для обеспечения независимой роботы воздушной вентиляции в зданиях без отдельного источника питания (частные дома, хижины в горах, дачи, и т.д.) можно использовать интегрированные фотогальванические модули (PV-модули). Это обеспечит электричеством вентилятор, когда светит солнце.

Система приводится в рабочее состояние количеством солнечной радиации, и в большинстве случаев не требует дополнительной регулировки. Кроме использования в зданиях без собственного источника энергии, систему также можно использовать и в зданиях с собственными источниками энергии. В таком случае можно отключать с помощью главного предохранителя основной источник питания, в то время как воздушное солнечное отопление и вентиляционная система будут продолжать работать. В нечасто используемых домах, эта сетка независимой вентиляционной системы имеет дополнительный эффект нагревания воздуха: она осушает воздух и тем самым сохраняет материал здания и всю его обстановку.

Компания Grammer предлагает различные стандартные системы с площадью поверхности коллектора от 2 до 10 м2 (21,5 и 107,6 ф2). В принципе, структура похожа на стандартные коллекторы. Однако, часть прозрачного покрытия заменена поверхностью модуля, и служит для управления вентилятором. Размер площади поверхности модуля зависит от размера воздушной солнечной системы. Большие системы служат для использования в жилых зданиях. Они предлагают простую систему подачу воздуха.

Новая серия коллекторов со слегка измененными мерами коллектора и разной направленностью (коллектор отклонения) также доступен как сеточно-независимый воздушный коллектор с 2003 года.

Компания Aidt Miljø из Дании предлагает так называемый «Пакет солнечного дома» для вентиляции и прогрева уикендных домиков. Они используют проточные поглотители толщиной в 2 мм (0,08 дюйма), войлочные или алюминиевые.

Гибридные коллекторы

Также воздушные коллекторы используются для управляемой внешней вентиляции PV-модулей в так называемых гибридных коллекторах. Вместо защитного от солнца стекла, воздушный коллектор частично или полностью покрыт с передней стороны модулями. PV-модули вырабатывают электричество, которое питает сетку коллекторов. Они также производят ненужное тепло, которое используется для нагревания воздуха при вентиляции, или для других обогревательных целей. Эти совместные процессы приводят к более высокой эффективности модулей из-за более низкой температуры модуля.

Такие системы обычно имеют установленные коллекторы общей мощностью несколько kWp или площадью в несколько десятков квадратных метров. Размеры определяются в соответствии с нужным исполнением PV-модулей и энергопотребления сети коллекторов, а также необходимым количеством воздуха, нужного надстройке или тому зданию, в котором система установлена. Распределение модулей может иметь место при увеличениях от 50 Wp (одна пятая прозрачного покрытия) до 250 Wp (полная замена прозрачного покрытия).


Рисунок 8.6. Схематическая конструкция воздушного коллектора с интегрированным PV-элементом (Изготовитель: Grammer Solar GmbH, Amberg)

Photovoltaic cell or glass plate – Фотогальваническая ячейка или стеклянная плата

Air outlet – Выпуск воздуха

Air inlet – Впуск воздуха

Solar radiation – Солнечное излучение

Absorber – Поглотитель

Insulation – Изоляция


Рисунок 8.7. Гибридные коллекторы для солнечного воздушного нагревания и производства электричества для цеха автомобильной покраски (Завод-изготовитель: Grammer Solar+Bau GmbH, Amberg)

8.2.1.9 ФАСАДНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ

Еще одним интересным использованием воздушных солнечных систем есть их интеграция в фасады. В таком случае коллекторы, например, могут полностью заменить фасад в дизайне «болта-гвоздика», или они могут быть установлены на существующий фасад.

Поскольку обогрев зданий происходит зимой и в переходные периоды – то есть, во время, когда солнечные лучи падают под малыми углами – вертикальное расположение имеют некоторые преимущества. Также, с соображений экономии, интеграция воздушных солнечных коллекторов в фасады может сохранить денежные средства, особенно в случае строительства нового здания, или восстановления фасада. Они могут быть использованы против расходов на солнечные воздушные коллекторы фасада. Для недорогой интеграции солнечных коллекторов в фасад, так же как с энергетической точки зрения, составное планирование имеет большое значение.

8.2.1.10 SOLARWALLTM

Кроме фасадной коллекторной системы с прозрачным застекленением, открытый коллектор, который был ранее упомянут, является тем типом, который главным образом используется (система Solarwall система – система “Солнечная стена” – см. Рисунок8.8). Здесь перфорированный, с темным покрытием металлический лист поглотителя используется в качестве внешнего жакета фасада. Посредством отрегулированного всасывания нагретого солнцем воздуха пограничного слоя на внешней стороне металлического листа, тепло собирается и проводится к вентиляционной системе для нагревательных целей. Этот простой, прямой метод может конфигурироваться для предварительного прогрева свежего вентиляционного воздуха зданий, таким образом улучшая качество воздуха в помещении, уменьшая затраты энергии. В более низких широтах эта та же самая вертикальная стена может быть применена над крышей, чтобы захватывать солнечное тепло на наклоненной поверхности одинаково хорошо. Применение для сушки сельскохозяйственных культур, таких как кофе, какао и показало отличные результаты во многих странах.


Рисунок 8.8. Конструкция солнечной воздушной системы с незастекленным алюминиевым поглотителем. Источник: Solarwall International Ltd, Göttingen

Facade – Фасад

Solar energy absorber – Поглотитель солнечной энергии

Air distribution channel – Воздушный канал распределения

Air heater – Нагреватель воздуха

Sheet metal – Лист металла


На главную