Солнечные плоские коллекторы BTE: компоненты, технологии и применение для эффективных низкотемпературных солнечных тепловых систем

Основные компоненты для использования низкотемпературной солнечной энергии

Плоские солнечные коллекторы являются важными компонентами для низкотемпературного использования солнечной энергии. Они являются неконцентрирующими компонентами гелиотермических систем, которые принимают солнечное излучение и передают тепло теплоносителю. Плоские солнечные коллекторы в основном состоят из поглотителя тепла, прозрачной крышки, изоляционного слоя и внешней оболочки. Поглотитель тепла по существу представляет собой плоскую пластину. При работе плоского солнечного коллектора солнечное излучение проходит через прозрачную крышку и проецируется на поглотитель тепла, где оно поглощается и преобразуется в тепловую энергию. Затем это тепло передается теплоносителю внутри абсорбера, повышая его температуру и обеспечивая выход полезной энергии из коллектора.

Компоненты и особенности

Плоские солнечные коллекторы являются важнейшим компонентом низкотемпературного использования солнечной энергии и уже давно занимают лидирующие позиции на мировом рынке солнечной энергетики. Они широко используются в различных областях, включая нагрев воды для бытовых нужд, подогрев бассейнов, промышленный нагрев воды, отопление зданий и кондиционирование воздуха. Плоские солнечные коллекторы состоят из теплопоглотителя, прозрачной крышки, изоляционного слоя и внешнего кожуха. Плоский солнечный водонагреватель – это водонагреватель, использующий плоский солнечный коллектор, а плоская солнечная водонагревательная система – это система горячего водоснабжения, использующая плоский солнечный коллектор.

Они отличаются простотой конструкции, большой площадью поглощения тепла, высокой устойчивостью к давлению, длительным сроком службы, устойчивостью к повреждениям и простотой интеграции в архитектуру.

Теплопоглощающая пластина

Это компонент плоского солнечного коллектора, который поглощает солнечное излучение и передаёт тепло теплоносителю. По сути, это плоская пластина. 

Структура

Плоская теплопоглощающая пластина обычно состоит из трубок и коллекторов. Трубки расположены продольно на теплопоглощающей пластине и образуют путь движения жидкости; коллекторы – это компоненты, соединяющие несколько трубок поперечно на верхнем и нижнем концах теплопоглощающей пластины, образуя путь движения жидкости. Теплопоглощающие пластины могут быть изготовлены из различных материалов, включая медь, алюминиевый сплав, медно-алюминиевый композит, нержавеющую сталь, оцинкованную сталь, пластик и резину. Существуют следующие типы конструкций:

1. Трубная решётка: трубы и плоская пластина соединены особым образом, образуя теплопоглощающую полосу, которая затем приваривается к верхнему и нижнему коллекторам, образуя теплопоглощающую пластину. Этот тип наиболее распространён как в Китае, так и за рубежом.

2. Плоскотрубчатый тип: теплопоглощающая полоса с ребрами, прикрепленными к каждой стороне металлической трубки, формируется методом экструзии и вытяжки. Затем эта полоса приваривается к верхнему и нижнему коллекторам, образуя теплопоглощающую пластину.

3. Плоский коробчатый тип: Теплопоглощающая пластина формируется из двух отдельных металлических пластин методом штамповки, а затем сваривается вместе. Змеевидный тип: Металлическая трубка изгибается в форме змеи, а затем приваривается к плоской пластине, образуя теплопоглощающую пластину. Такая конструкция широко используется за рубежом.

Покрытия, поглощающие солнечную энергию

Чтобы максимально эффективно поглощать солнечную радиацию и преобразовывать ее в тепло, поглотитель следует покрыть темным покрытием, известным как покрытие, поглощающее солнечную энергию.

Покрытия, поглощающие солнечное излучение, можно разделить на две категории: неселективные и селективные. Неселективные покрытия — это покрытия, оптические свойства которых не зависят от длины волны излучения; селективные покрытия — это покрытия, оптические свойства которых существенно меняются в зависимости от длины волны излучения.

Селективные поглощающие покрытия могут быть получены различными методами, включая распыление, химическое, электрохимическое, вакуумное испарение и магнетронное распыление. Большинство селективных поглощающих покрытий, полученных этими методами, могут достигать коэффициента поглощения солнечного излучения (SAR) выше 0,90, но диапазоны их излучательной способности значительно различаются. С точки зрения излучательной способности, порядок преимуществ среди этих методов должен быть следующим: магнетронное распыление, вакуумное испарение, электрохимическое, химическое и напыление. Конечно, каждый метод имеет свой диапазон значений излучательной способности, и фактическая излучательная способность покрытия зависит от степени оптимизации процесса его приготовления.

Материалы

Медь TP2 используется для изготовления коллекторов и отводов. Медь TP2, раскисленная медью и фосфором, – это высокочистое сырье, получаемое плавкой. Кислород, образующийся в расплавленной меди, раскисляется фосфором (P), обладающим сродством к кислороду, что снижает содержание кислорода до уровня ниже 100 ppm. Это улучшает её пластичность, коррозионную стойкость, теплопроводность, свариваемость и обрабатываемость, а также предотвращает водородную хрупкость при высоких температурах. Характеристики и применение: Она отличается чрезвычайно низким содержанием кислорода, высокой чистотой, превосходной электро- и теплопроводностью, превосходной пластичностью, низкой воздухопроницаемостью и минимальным или нулевым водородным охрупчиванием. Она также обладает превосходной обрабатываемостью, свариваемостью, коррозионной стойкостью и морозостойкостью.

Прозрачная крышка

Прозрачная крышка представляет собой прозрачный (или полупрозрачный) элемент в форме пластины, закрывающий поглощающую пластину в плоском коллекторе. Она выполняет три основные функции: во-первых, пропускает солнечное излучение и направляет его на поглощающую пластину; во-вторых, защищает поглощающую пластину от пыли, дождя и снега; и, в-третьих, создает парниковый эффект, предотвращая рассеивание тепла поглощающей пластиной в окружающую среду посредством конвекции и излучения при повышении температуры. 

Материал

Существует два основных типа: плоское стекло и стекловолокно. В настоящее время листовое стекло более широко используется как внутри страны, так и за рубежом.

Листовое стекло имеет низкий коэффициент пропускания инфракрасного излучения, низкую теплопроводность и отличную атмосферостойкость. Однако пропускание солнечного света и ударопрочность являются двумя ключевыми факторами для листового стекла. В настоящее время наиболее часто используемым прозрачным материалом покрытия является листовое стекло толщиной 3-5 мм, сверхпрозрачное закаленное стекло с низким содержанием железа или сверхпрозрачное текстурированное закаленное стекло с низким содержанием железа. Эти стекла обладают высокой светопропускаемостью, устойчивы к граду и ударам, а также безопасны и надежны. Обычная толщина стекла составляет 3,2 мм и 4,0 мм. Сверхпрозрачное стекло - это тип сверхпрозрачного стекла с низким содержанием железа, также известного как стекло с низким содержанием железа или стекло с высокой прозрачностью. Листы FRP (т. е. листы из армированного стекловолокном пластика) имеют высокий коэффициент пропускания солнечного света, низкую теплопроводность и высокую ударопрочность; однако для листов FRP пропускание инфракрасного излучения и атмосферостойкость являются двумя вопросами, которые требуют внимания. Зависимость коэффициента пропускания монохроматического излучения от длины волны для стеклопластиковых листов показывает, что коэффициент пропускания монохроматического излучения имеет высокое значение не только в пределах 14:00, но и выше 14:50. Таким образом, коэффициент пропускания солнечного излучения стеклопластиковых листов обычно превышает 0,88, но коэффициент пропускания инфракрасного излучения также значительно выше, чем у плоского стекла. Стеклопластиковые листы могут снизить степень повреждения, вызванного ультрафиолетовым излучением, благодаря использованию высокосвязующих энергетических смол и гелькоутов. Однако срок службы стеклопластиковых листов ни в коем случае не сопоставим со сроком службы плоского стекла, которое является неорганическим материалом. Стеклопластиковые листы редко используются в качестве защитных пластин для коллекторов и в настоящее время применяются только в некоторых недорогих изделиях.

Изоляционный слой

Изоляционный слой — это компонент коллектора, который предотвращает потерю тепла от поглотителя в окружающую среду посредством теплопроводности. В качестве изоляционного слоя используются минеральная вата, стекловата, полиуретан и полистирол. В настоящее время наиболее распространённым материалом является стекловата.

Высокоэффективные изоляционные материалы

Фенольная пена (ПФ) — это новый тип изоляционного материала, способный повысить эффективность плоских солнечных коллекторов. Производители постепенно начинают его использовать. Фенольная пена — это жёсткий вспененный пластик с закрытыми ячейками, получаемый путём вспенивания и отверждения фенольной смолы с различными веществами, включая эмульгаторы, пенообразователи, отвердители и другие добавки, по научно разработанной формуле.

Характеристики фенольной пены можно обобщить следующим образом:

1. Отличные теплоизоляционные характеристики, теплопроводность <0,03 Вт/м·К.

2. Высокая рабочая температура. Фенольная пена может длительно эксплуатироваться при температурах от -200°C до 160°C (допускается кратковременное повышение температуры до 250°C) без усадки.

3. Отличная устойчивость к атмосферным воздействиям. Даже при длительном воздействии высоких температур он сохраняет отличные теплоизоляционные свойства и не выделяет летучих веществ, способных блокировать солнечное излучение.

4. Негорючесть. Фенольная пена (толщиной 100 мм) выдерживает воздействие пламени более часа, не подвергаясь воздействию пламени, не выделяя дыма и вредных газов. При воздействии открытого огня фенольная пена образует на своей поверхности структурный углеродный слой, предотвращающий капание, скручивание и плавление. После горения на поверхности образуется графитовый слой структурного углерода, эффективно защищающий внутреннюю структуру пены.

5. Экологичность. Благодаря технологии вспенивания без фтора и волокон, материал соответствует национальным и международным экологическим стандартам.

Толщина

Толщина изоляционного слоя определяется с учетом таких факторов, как используемый материал, рабочая температура коллектора и климатические условия в месте его использования. Как правило, чем выше теплопроводность материала, чем выше рабочая температура коллектора и чем ниже температура в месте его использования, тем толще должен быть изоляционный слой. Как правило, толщина нижнего изоляционного слоя составляет 30–50 мм, боковые изоляционные слои имеют примерно такую ​​же толщину.

Жилье

Корпус защищает и фиксирует абсорбер, прозрачную крышку и изоляционный слой внутри коллектора. В зависимости от назначения корпус должен обладать определённой прочностью и жёсткостью, хорошей герметизацией и коррозионной стойкостью, а также иметь эстетичный внешний вид. 

Для изготовления корпуса используются такие материалы, как алюминиевый сплав, нержавеющая сталь, углеродистая сталь, пластик и стекловолокно. Для улучшения герметичности корпуса некоторые изделия изготавливаются методом одностадийного компрессионного формования углеродистой стали. В настоящее время наиболее распространенным материалом для корпуса (рамы) плоского коллектора является алюминиевый сплав и углеродистая сталь, изготовленные методом одностадийного компрессионного формования. 

Алюминиевый сплав: широко используются профили из алюминиевого сплава 6063T5. Алюминиевые сплавы серии 6063 широко используются в каркасах алюминиевых дверей, окон и навесных фасадов зданий. Требования к эксплуатационным характеристикам профилей из алюминиевого сплава, обеспечивающие высокую ветроустойчивость, монтажные характеристики, коррозионную стойкость и декоративные свойства, значительно превосходят требования к промышленным профилям.