Сонячний колектор

Реферат: Сонячний колектор містить теплосприймаючу поверхню (мідну панель) і мідні трубки. Конструкція геліотермічного колектора містить одночасно теплосприймаючу поверхню (кераміку) і мідні або керамічні трубки, як додатковий накопичувач поглиненого тепла за рахунок солей-кристалогідратів: Na2SO4·10Н2О, Na2HPO4·12Н2О, AlK(SO4)·10Н2О, NaH2PO4·2Н2О, Na2B4O7·10Н2О, для підвищення якості роботи сонячних сушарок в похмуру погоду та в нічний час. UA 90395 U (12) UA 90395 U UA 90395 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель стосується геліотехніки і може бути використана у сонячних сушильних камерах для обезводнення вологих матеріалів рослинного походження (дощок, чорнових меблевих заготовок, паркетної фризи, тарних дощечок тощо). Сонце, як природне джерело теплової енергії, може бути використаним для зменшення енергетичних та матеріальних витрат. Раціональним способом збереження енергетичних ресурсів є використання сонячної енергії за допомогою колекторів, які перетворюють цю енергію в теплову для нагрівання теплоносія (повітря, води) [1-7]. Україна має дуже сприятливі кліматичні умови щодо використання енергії сонячного 2 випромінювання: інтенсивність сонячної радіації становить 1030…1450 кВт·год./м на рік. Багаторічний досвід експлуатації геліоустановок свідчить про високу ефективність використання сонячних установок. Необхідно зазначити, що геліосушарки являють собою рамні конструкції парникового типу, які спереду та з 2-х боків є прозорими (покриті склом), а задня теплоізольована стіна є зачорненою для додаткового підігрівання теплоносія та агента сушіння [1-5]. Густина середньорічного сонячного випромінювання, що падає на горизонтальну 2 2 поверхню, становить, зокрема: для м. Києва - 1060 кВт·год./м , м. Львова - 1030 кВт·год./м , м. 2 2 Одеси - 1280 кВт·год./м , м. Ялти - 1370 кВт·год./м . Відомі на сьогодні геліотермічні колектори (перетворюють сонячну енергію в теплову) в більшості випадків представляють рамну плоску конструкцію, у верхній частині якої встановлено скло. За склом знаходиться плоска теплосприймаюча панель із оптичним покриттям, що саме перетворює сонячне випромінювання в тепло. Зокрема, в Україні підприємством "Інсолар ЮСБ" виготовляються колектори геліопрофілю ТЕПС. Закладені в геліопрофіль ТЕПС функціональні властивості дають змогу одночасно підігрівати повітря і воду, як теплоносіїв, тобто забезпечувати технологічне теплопостачання. Така конструкція геліопрофілю дозволяє утилізувати сонячне випромінювання за допомогою двох теплоносіїв - атмосферного повітря та води (для гарячого водопостачання). Сам геліопрофіль виготовляють із алюмінієвої панелі довжиною 6,8 м (можлива порізка на потрібний розмір), шириною 180 мм, товщиною 26 мм. Зовнішня поверхня профілю покрита порошковою поліефірною фарбою [1]. Запорізьке підприємство ПКК "Сінтекс" випускає плоскі колектори типу SintSolar. Сонячний колектор складається із теплоізольованого алюмінієвого корпусу, всередині якого знаходиться мідна плоска панель із високоселективним поглинальним покриттям та тепловідвідними мідними трубами. Поглинаюча панель виконує функцію теплообмінника, по трубах якого прокачується рідинний теплоносій. Зверху поглинаюча панель закрита прозорою теплоізоляцією (склом). Базальтова теплоізоляція (товщиною 60 мм) не вбирає в себе вологу і розміщена в корпусі із анодованого алюмінію. Як прозору теплоізоляцію використовують загартоване скло товщиною 4 мм. Для з'єднання колекторів виготовляють спеціальні елементи, виготовлені із гофрованої труби (нержавіюча сталь) із накладними бронзовими гайками. Основним недоліком вище описаних плоских колекторів є те, що форма теплосприймаючої поверхні не оптимізовані із точки зору отримання максимальної ефективності роботи сонячного колектора при одночасному забезпеченні складністю профілів та матеріаломісткості (ємності). Тому, враховуючи вище сказане, метою нашого винаходу є створення конструкції плоского сонячного колектора із максимальною ефективністю при мінімальній його собівартості, а також організація випуску колектора, що дозволить в подальшому успішно використовувати його в сонячних сушильних камерах. Відомо [1, 2], що електромагнітне випромінювання Сонця досягає поверхні Землі, в основному, в діапазоні хвиль довжиною 0,28…0,38 мкм. При цьому ультрафіолетові хвилі (λ = 0,28…0,38 мкм) складають 2 % сонячного спектра, видиме випромінювання (λ = 0,38…0,76 мкм) складає 49 % спектра, а інфрачервоні хвилі довжиною 0,76…3,0 мкм, на долю яких припадає більша частина хвиль, становить 49 %. Решта частина спектра відіграє незначну роль в тепловому балансі земної поверхні. Запроектована конструкція (Фіг. 1) містить: металевий корпус (2), в якому як прозорий щодо сонячних променів матеріал - теплоізолятор (1) використовується силікатне натрієве скло (72 % SiO2, 13 % (NaO+K2O), 11 % Са, 4 % (R2O3+MgO)), яке пропускає електромагнітні хвилі сонячного випромінювання в діапазоні λ = 0,76…2,5 мкм. Як накопичувач і одночасно поглинач теплової енергії пропонується використовувати кераміку (3), яка також є вторинним перевипромінювачем генератора теплової енергії з довжиною хвиль λ > 10 мкм. Як рефлектор-відбивач падаючого сонячного випромінювання пропонується використовувати 3…5-шарову алюмінієву фольгу (4), коефіцієнт відбивання якої становить R λ = 0,95…0,98. 1 UA 90395 U 5 10 15 Для підвищення термічного коефіцієнта колектора пропонується додатково використовувати теплоакумулюючі речовини (солі-кристалогідрати), які при опромінені, тобто при їх нагріванні, переходять із порошкоподібного стану в рідкий, поглинаючи направлене (пряме) і дифузійне (розсіяне) сонячне випромінювання. Солі-кристалогідрати розміщують в трубках (5), які охолоджуючись в нічний час або в похмуру погоду, кристалізуються і виділяють теплову енергію, що була затрачена на розплавлення солей. Це дозволяє збільшити й зберегти на 3…4 години відносно високу (40…80 °C) температуру в геліосушарці. Нами було проведено експериментальні дослідження теплоакумулюючих властивостей солей-кристалогідратів [1, 8]: Na2SO4·10Н2О, Na2HPO4·12Н2О, AlK(SO4)·10Н2О, NaH2PO4·2Н2О, Na2B4O7·10Н2О. Солі-кристалогідрати поміщаються в мідні трубки діаметром 12,7 мм (можливе використання керамічних трубок). Дана конструкція може успішно використовуватися в наших сонячних камерах, на які отримано патенти України [3, 4, 7, 9]. Поверхневі густини атомів тепла, що виділяються в окремих шарах термоізоляції і на поверхні приймача (трубки), можна представити як:  AT A o.c  qo.c    E , (1) де  - коефіцієнт вловлювання променевої радіації:  20 qp  A t T  t o.c   e   A c , (2) E 2 де qp - густина результуючого опроміненого потоку, що падає на поверхню, Вт/м ; E величина потоку на поверхні труби ( E  0  T 4 , 0  5,67  108 Вт/м ·К - постійна СтефанаБольцмана). Як видно із останнього рівняння (2), залежність коефіцієнта вловлювання сонячної радіації приймачем (трубою із водою або сіллю кристалогідратом) носить експоненціальний характер. Індикатриса вловлювання для більшості трубчатих приймачів із прозорою теплоізоляцією залежить від кута α падіння променів на поверхню труби-акумулятора, тобто     0  cos y   , (3) 2 25 30 35 40 45 50 4 де   - коефіцієнт вловлювання випромінювання, що падає на приймач-трубу під кутом α;  0 - коефіцієнт вловлювання променів, які падають нормально на приймач; y - показник степені, який залежить від циркуляції прозорої ізоляції і змінюється в межах 0,50…1,50 (для одношарового прозорого приймача у=1,50). На Фігурі 2 показано залежність коефіцієнта вловлювання від показника степені. Дана залежність дозволяє визначити коефіцієнт вловлювання для будь-якого заданого розподілення за напрямками енергетичної яскравості сонячної радіації, що падає на приймач-акумулятор, і густину теплового потоку. В сонячних параболічних колекторах (концентраторах) і акумуляторах сонячної енергії використовуються параболоподібні відбивачі (рефлектори), які являють собою параболічні дзеркала (лотки). Дзеркала відбивають сонячні промені із точністю більше 98 % на абсорбційну трубу (ресивер), яка проходить по локальній лінії колектора. В абсорбційних трубах знаходиться рідкий теплоносій (вода із добавленими протизамерзальними речовинами або розчини солейкристалогідратів). Рідина-теплоносій нагрівається майже до 400 °C і протягується через ряд теплообмінників. Для зниження теплових втрат трубку-приймач сонячної енергії може оточувати прозора скляна трубка, що розміщена вздовж фокусної лінії циліндра. Зауважимо, що за рахунок використання рефлекторів різного профілю можна отримати любе розподілення опромінення на об'єкті. Проте, для створення зон рівномірного опромінення найчастіше використовують параболо-циліндричні рефлектори. Опроміненість труби-ресивера буде рівна сумі прямої сонячної радіації Епр і випромінювання відбитого рефлектора Евідб , тобто: Eзаг  Епр  Евідб . (4) Величина потоку прямого опромінення: Епр  Е Т.Н r , (5)   h 2 UA 90395 U де Е Т.Н - густина опромінення поверхні труби при температурі нагрівання труби абсорбера при температурі t т.н ; r - радіус труби нагрівача; h - відстань від осі труби-абсорбера до поверхні ОХ. ЕТ.Н  Е0   Т Т.Н    t Т Т.Н  , (6) Т .Н 5 де Е0   Т Т.Н  - густина випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі Т Т.Н ; - ступінь чорноти (випромінювальна здатність) поверхні труби при температурі Т Т.Н . t Т .Н 10 Слід відзначити, що значення Е0   Т Т.Н  визначається за допомогою таблиць Брамсона М. А [5, 6]. Якщо уявна розглянута площадка нагрівання віддалена від перпендикуляра до осі трубиабсорбера на відстань х, то формула (6) запишеться: Епр  15 20 25 30 35 40 45 50 Е Т.Н r  h . (7)  2  h  x2 Слід відзначити, що важливим елементом концентрації сонячної енергії, який визначає їх коефіцієнт корисної дії, теплову інерційність і рівномірне опромінення об'єктів нагрівання (в кожному випадку труби-абсорбера), є відбивач (рефлектор). Виходячи із міркувань про міцність, як правило, стінки-рефлектори виготовляють із металів та сплавів (нами запропонована алюмінієва фольга). Загальна теорія відбивання випромінювання викладена в роботах [3, 7]. Зауважимо, що взаємодія чистих металів із інфрачервоним випромінюванням довжиною хвилі λ > 1 мкм дуже добре описується з допомогою електромагнітної теорії. Зокрема, величина нормальної інтегральної відбивальної здатності , n гладких поверхонь чистих металів визначається за формулою Хагена-Рубенса, тобто  , n  1  0,576    T  0,124    T , (8) де  - питомий електричний опір, Ом·см; T - температура поверхні, К. Джерела інформації: 1. Застосування сонячної енергії у житловому господарстві та деревообробці: Наукове видання // Озарків І.М., Мисак Й.С, Криницький Г.Т., Максимів В.М., Копій Л.І., Соколовський І.А., Озарків О.І., Козар B.C. - Львів: НВФ "Українські технології", 2012. - 338 с. 2. Озарків І.М., Копинець З.П. Використання сонячної енергії у промисловості: Навчальний посібник / За ред. д-ра техн. наук І.М. Озарківа. - Львів: НВФ "Українські технології", 2008. - 276 с. 3. Декл. патент № 61463 А Україна, МПК 7 F26B 3/28. Сонячна сушильна камера / Озарків І.М., Білей П.В., Озарків В.Я., Гуменюк Ж.Я. - № 20030215; Заяв. 7.02.2003; Затв. 15.08.2003; Опубл. 17.11.2003. 4. Декл. патент № 61462 А Україна, МПК 7 F26B 19/00. Геліосушарка для пиломатеріалів / Озарків І.М., Білей П.В., Озарків С.І., Гуменюк Ж.Я. - № 25030214; Заяв. 7.02.2003; Затв. 20.08.2003; Опубл. 17.11.2003. 5. Пат. № 52954 А Україна, МКВ F26/16. Адсорбційний тепловий акумулятор / Мацьків А.І., Олійник В.В., Озарків І.М., Білей П.В. - № 2001129007; Заяв. 25.12.2001; Опубл. 15.01.2003. 6. Озарків І.М., Олійник В.В. Розробка акумуляторів сонячної енергії на основі теплоакумулюючих хімічних складів для геліосушарок для деревини // Науковий вісник: 36. наук.-техн. праць. - Львів: УкрДЛТУ, 1999. - Вип. 9.5. - С. 98-101. 7. Озаркив И.М., Данчук М.И. Исследование теплоаккумуляционных свойств солейкристалогидратов в гелиосушильных установках // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сборник. научн. трудов. - Брянск: БрГИТА, 2013. - Вып. 36. - С. 84-86. 8. Озарків І.М., Козар B.C., Озарків O.I. Геліотермічний колектор для енергетичної системи сонячної сушарки: патент України на корисну модель № 76882 зареєстрований в Держреєстрі патентів 25.07.2013 р. - Бюл. № 2, 2013 р. 9. Умбетов Е.С. Обоснование параметров и разработка трубчатого гелиоколектора с сотовым прозрачным покрытием // Автореф. канд. техн. наук. - Алматы, 2007. - 19 с. 10. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. - М.: Наука, 1965. - 222 с. 11. Излучательные свойства твердых материалов / По ред. А.Е. Шейндулина. М.: Энергия, 1974. - 472 с. 12. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфра красной техники. - М.: Сов Радио, 1978. 100 с. 55 3 UA 90395 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Сонячний колектор, що містить теплосприймаючу поверхню (мідна панель) і мідні трубки, який відрізняється тим, що конструкція геліотермічного колектора містить одночасно теплосприймаючу поверхню (кераміку) і мідні або керамічні трубки, як додатковий накопичувач поглиненого тепла за рахунок солей-кристалогідратів: Na2SO4·10Н2О, Na2HPO4·12Н2О, AlK(SO4)·10Н2О, NaH2PO4·2Н2О, Na2B4O7·10Н2О, для підвищення якості роботи сонячних сушарок в похмуру погоду та в нічний час. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601