С целью определения влияния степени открытости местности на величину средней скорости ветра в ГНУ ВИЭСХ выполнено обобщение статистико-климатических характеристик ветра на территории России в зависимости от масштаба класса открытости М, предложенного В. Ю. Милевским (см. табл. 2).
В качестве исходного материала для анализа использовались данные отчета ВНИГМИ МЦД «Статистико-климатические характеристики ветра», содержащие данные по 550 метеостанциям, отобранным ВНИГМИ МЦД из числа наиболее достоверных.
Среди приведенных в указанном отчете параметров использовались следующие: средняя скорость ветра 
, среднеквадратическое отклонение σ, коэффициент вариации 
. Расчет этих параметров проводился ВНИГМИ МЦД по стандартным формулам математической статистики:
; 
; 
, (5.5)
где n – число градаций экспериментального распределения скоростей ветра; 
– значение скорости ветра по градациям в относительных единицах.
Используя уравнение связи 
, полученное Гарцманом Л. Б., для каждой из 550 метеостанций был определен параметр формы распределения Вейбулла γ, а используя соотношение:
(5.6)
были рассчитаны значения параметра масштаба β распределения Вейбулла.
Кроме того, была выполнена трудоемкая работа по определению для каждой из 550 метеостанций масштаба класса открытости М на основе паспортных данных открытости метеостанций по 8 румбам направлений, приведенных в Справочнике по климату России.
При обработке статистического материала весь массив данных был разбит на следующие градации параметра М: 1 – 3; 3,1 – 5; 5,1 – 7; 7,1 – 10; 10,1 – 12; 12.1 – 14; 14.1 – 16; 16,1 – 18; 18,1 – 21 и 21,1 – 23.
Первичный анализ данных показал, что для районов Дальнего Востока, Якутии, Чукотки, Камчатки, Хабаровского и Приморского краев характерны существенно меньшие значения параметра формы у, чем для остальной части страны. Поэтому определение взаимосвязи параметров скорости ветра от масштаба класса открытости М проводилось для указанных регионов отдельно. Принимая средние значения среднегодовой скорости для указанных выше градаций параметра М, получены приближенные корреляционные зависимости между среднегодовой скоростью ветра на высоте 10 м от уровня земли и масштабом класса открытости местности
На рисунке 5.4 (кривая 1) представлена зависимость среднегодовой скорости 
от параметра М для большинства районов России, Казахстана, Прибалтики, Белоруссии, Украины, исключая участки горной местности. Кривая 2 действительна для острова Сахалин: для диапазона М от 2 до 10 она совпадает с кривой 1, а при М > 10 идет несколько выше.
Какие основные выводы можно сделать из выполненного анализа результатов наблюдений, проведенных на большом массиве метеостанций: главный вывод – это наличие отчетливой корреляционной зависимости между среднегодовой скоростью и масштабом класса открытости. Максимальные значения скорости ветра 8 – 9 м/с приходятся на М = 22. Минимальные значения скорости ветра 1 – 2 м/с соответствуют закрытым участкам местности с М = 2.
Рисунок 5.4 – Приближенная зависимость среднегодовой скорости ветра Уг, от масштаба класса открытости местности М:
1 – для России, Казахстана, Прибалтики, Белоруссии, Украины, исключая участки горной местности; 2 – для о. Сахалин.
Обращает на себя внимание тот факт, что в восточных регионах России (кроме острова Сахалин) при заданных величинах М среднегодовые скорости ветра существенно ниже, чем в западных регионах. Так, при М = 10 среднегодовая скорость ветра для западных регионов России составляет 4,5 м/с, а для восточных Vr ≈ 3 м/с. С ростом М разница в 
снижается: при М = 20 практически повсеместно достигают или превышают уровень 7 м/с.
5.4. Требования к выбору мест размещения ВЭУ
Выбор мест размещения ВЭУ должен производиться в районах с благоприятными ветровыми условиями, обеспечивающими экономическую целесообразность использования энергии ветра.
В районах со среднегодовыми скоростями ветра от 6 м/с и выше использование энергии ветра становится выгодным для ВЭУ любого назначения в широком диапазоне мощностей.
Проектирование ветроэнергетических систем для районов со среднегодовыми скоростями ветра ниже 6 м/с требует дополнительного обоснования с расчетом ожидаемой выработки энергии и ее сопоставления с расчетом потребности и оценкой приемлемости полученных результатов по экономическим показателям для конкретных потребителей.
Наиболее благоприятными местами считаются возвышенные и равнинные участки, места, близкие к морским побережьям, долинам больших рек и водоемов.
Следует избегать мест с вогнутой формой рельефа, а также вблизи леса, жилых домов и производственных объектов, которые могут помешать беспрепятственному подходу воздушных масс к ветроустановке.
При этом необходимо обратить внимание на исключение помех на пути ветра в направлениях, несущих преобладающую часть энергии.
Проект ВЭУ должен предусматривать размещение на огражденной территории, недоступной для посторонних лиц. В противном случае предусматривается ограждение вокруг ветроагрегата, причем входная дверь ограждения должна быть закрыта на замок, и на ней, а также на башне ветроагрегата должны быть установлены предупреждающие плакаты техники безопасности.
Ветроустановка должна быть удалена от жилых помещений, лечебных учреждений, школ и домов отдыха на расстояние, обеспечивающее снижение уровня шума, создаваемого работающей ВЭУ, до уровня 45 дБ.
Место для сооружения ветроустановок должно находиться вне отведенной территории расположения железных дорог и автомобильных трасс, линий электропередач, магистральных газопроводов, кабельных и водопроводных трасс.
Ветроустановки не должны устанавливаться на пути основных трасс перелетных птиц, а также размещаться вблизи их массовых гнездовий.
Выбранное место для сооружения ветроустановок должно быть согласовано с местной администрацией района размещения ВЭУ.
5.5. Расчет выработки энергии ВЭУ с использованием данных наблюдений за скоростью ветра на метеостанциях
На первом этапе оценка ветровых условий проводится на основе анализа результатов наблюдений на ближайших метеостанциях района предполагаемого использования ВЭУ.
Данные наблюдений можно получить в территориальных управлениях по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, найти в «Справочнике по климату России» или в «Новом аэроклиматическом справочнике». При ознакомлении с данными конкретной метеостанции, кроме данных по ветру, необходимо получить сведения о рельефе местности и степени открытости площадки метеостанции действию ветров разных направлений. Каждая метеостанция имеет такую характеристику, опубликованную в «Справочнике по климату России», выполненную в соответствии с классификацией В. Ю. Милевского по 8 направлениям.
На практике используются два варианта расчета возможной выработки энергии. Первый – с использованием результатов наблюдений на метеостанциях, в которых повторяемость скоростей ветра приводится по шести градациям: 2 – 5; 6 – 9; 10 – 13; 14 – 17;18 – 20 и более 20 м/с.
Второй вариант расчета основан на использовании аппроксимации экспериментальных данных повторяемости скоростей ветра двухпараметрическим распределением Вейбулла.
Данные по скорости ветра для метеостанций относятся к высоте 10 м над уровнем поверхности земли и нормальным климатическим условиям: атмосферному давлению 760 мм рт. столба и температуре воздуха +15°С. Для расчета выработки энергии ВЭУ, имеющих высоту башни больше или меньше 10 м, среднюю скорость ветра следует пересчитать по следующей формуле:
(5.7)
В табл. 3.5 приведены данные Главной геофизической обсерватории (ГГО), рекомендуемые для пересчета скорости ветра от уровня размещения анемометра (10 м) на иной уровень размещения ветроколеса ВЭУ. Данные таблицы применимы для Европейской территории России, для Казахстана и Сибири.
Таблица 5.5 – Возрастание скорости ветра с высотой в нижнем 100-метровом слое атмосферы
| Времена года | Высота, м | Показатель степени, m | |||||
| Зима | 1,12 | 1,26 | 1,35 | 1,43 | 1,50 | 0,17 | |
| Весна | 1,17 | 1,36 | 1,50 | 1,59 | 1,66 | 0,22 | |
| Лето | 1,18 | 1,40 | 1,55 | 1,67 | 1,76 | 0,24 | |
| Осень | 1,12 | 1,26 | 1,35 | 1,43 | 1,50 | 0,17 | |
| ГОД | 1,15 | 1,32 | 1,44 | 1,53 | 1,60 | 0,20 |
6. СОЛНЕЧНЫЕ ЖИДКОСТНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ
6.1. Виды солнечных коллекторов и проектирование коллекторов
Солнечный коллектор, являясь основным компонентом солнечной энергетической системы, преобразует лучистую энергию солнца в полезную тепловую энергию и отдает это тепло теплоносителю. Теплоноситель переносит тепло в здание или в аккумулятор для дальнейшего использования. Его также можно использовать в цикле охлаждения (кондиционирования воздуха) или в нагреве воды для хозяйственных нужд.
Существует весьма много моделей простых и эффективных коллекторов. Среди пассивных систем такими устройствами являются окна и сочетание коллектор-аккумулятор. Системы активного использования солнечной энергии отличаются тем, что функции солнечного отопления или охлаждения осуществляются с помощью разных средств. «Водные бассейны» на крышах Гарольда Хэя выполняют одновременно функции поглощения, хранения и переноса тепла в помещение, нуждающееся в обогреве. Однако в традиционном смысле солнечный коллектор представляет собой специальное устройство, которое придается зданию. Большинство коллекторов, используемых для отопления и охлаждения зданий, являются «плоскими» коллекторами. Эти коллекторы могут быть жидкостного или воздушного типа в зависимости от вида циркулирующего через них теплоносителя.
Типы солнечных коллекторов для систем отопления:
1) жидкостной плоский коллектор;
2) воздушный коллектор;
3) солнечный пруд;
4) плавающий коллектор;
5) солнечный коллектор с пирамидальной оптической системой.
Основным элементом коллектора является поглощающая пластина (теплоприемник), которая задерживает солнечный свет, преобразует его в тепло и передает его теплоносителю. Поверхность теплоприемника обычно окрашена в черный цвет. Для уменьшения потери тепла с поверхности пластины над ней устанавливается прозрачное покрытие. Потери тепла с тыльной стороны теплоприемника уменьшают при помощи тепловой изоляции. Все эти элементы обычно помещаются в деревянные или металлические контейнеры. На рис. 6.1 показан типичный коллектор, содержащий все вышеописанные элементы.
Рисунок 6.1 – Прототип плоского солнечного коллектора:
1 – прозрачное покрытие; 2 – пластина, поглощающая солнечную радиацию; 3 – отражающая поверхность; 4 – изоляция; 5 – ящик
6.2. Проектирование коллекторов
- Теплоприемные пластины.
- Типы теплоприемников жидкостных систем.
- Дополнительные факторы проектирования коллекторов.
- Примеры коллекторов и детали конструкции.
Обычно поглотители для жидкостных систем изготовляются из меди, алюминия или стали. При выборе материала для теплоприемника следует учитывать следующие факторы:
1) наличие материала;
2) энергию и ресурсы, необходимые для производства;
3) теплопроводность (и другие тепловые характеристики);
4) долговечность, легкость в обращении;
5) стоимость.
Наличие материала. Медь всегда имеется в наличии, но ее запасы на Земле сокращаются, а цены продолжают расти. Алюминий и сталь доступнее, но даже запасы алюминия постепенно истощаются.
Энергия и ресурсы, необходимые для производства. Поскольку наши энергетические запасы сокращаются, и экономия энергии становится все более жизненно важной для общества, выбор металла также производится с учетом количества энергии, необходимого для производства. Для производства алюминия, например, требуется значительно больше энергии на единицу веса, чем для производства стали.
На Земле просто не хватит меди для обеспечения каждого здания медным солнечным коллектором, даже если срок службы такого теплоприемника будет 50 лет, и медь затем пойдет в переработку. То же ограничение может оказаться справедливым и для алюминия. По сути дела, все металлы могут применяться только после тщательного рассмотрения возможных альтернатив. Системы, не требующие металлических теплоприемников, должны применяться, где только возможно.
Теплопроводность. Металлический теплоприемник можно не применять, если теплоноситель непосредственно соприкасается с любой поверхностью, на которую падает солнечный свет. Однако почти во всех применяемых сейчас жидкостных системах жидкость протекает обычно по трубам, прикрепленным к поглощающей пластине. Тепло должно передаваться к трубам от тех участков пластины, которые не соприкасаются с теплоносителем. Если теплопроводность пластины недостаточно высока, то тело уйдет из коллектора прежде, чем оно будет подведено к трубам. Пластина из металлов с высокой теплопроводностью, например, из меди, может быть тоньше, а трубы на ней могут располагаться с большими промежутками. Наиболее теплопроводным металлом является медь, за ней следует алюминий. Чтобы получить аналогичные результаты при всех прочих равных условиях, алюминиевый лист должен быть вдвое, а стальной – в 9 раз толще медного.
Долговечность металлов ограничена действием коррозии. Медь противостоит коррозии лучше, чем алюминий или сталь, но при определенных условиях вода и антифриз могут вызвать коррозию всех этих металлов. Высокие рабочие температуры солнечных коллекторов также ускоряют коррозию. Тем не менее, существуют методы уменьшения влияния коррозии. Например, если теплоприемник осушается для предупреждения замерзания, то доступ воздуха в систему повышает потенциальную возможность коррозии. Таким образом, необходимо закрыть путь в систему кислороду воздуха, вызывающему коррозию.
Особые меры необходимо принимать для предупреждения коррозии алюминия; вода из плавательных бассейнов может вызвать протечку алюминиевых теплоприемников уже через несколько месяцев после монтажа. Сталь должна быть оцинкованной, либо нержавеющей. Коррозию также можно уменьшить путем добавления в воду или антифриз ингибиторов, содержащих соли хромовой кислоты. Рекомендуется применение мягкой воды с низким содержанием минеральных веществ и металлов. Внутренние поверхности алюминиевых труб или других каналов для жидкости можно обрабатывать при помощи процесса гальванического цинкования, но он довольно дорог и не везде возможен.
Наиболее критическим аспектом коррозии является показатель концентрации водородных ионов в растворе. Для алюминия pH = 6...7. Необходимо постоянно контролировать уровень pH, т.к. любое отклонение в меньшую (кислотное) или в большую (щелочное) сторону значительно увеличивает коррозию.
Все упомянутые методы обработки лишь снижают область коррозии, но не дают никакой гарантии успеха. Пока не решена проблема борьбы с коррозией, существует очень мало заменителей меди для жидкостных теплоприемников. В какой-то мере исключениями здесь являются стекло и волнистый алюминиевый или стальной лист с открытой поверхностью, примененные в системе д-ра Томасона. Неметаллические теплоприемники (стекло, пластмасса) не подвержены коррозии, но имеют более короткий срок службы.
Легкость в обращении. Вес теплоприемной пластины не является решающим фактором в конструкции солнечного коллектора, но он играет роль в простоте изготовления коллектора и обращении с ним. Общая масса коллекторов обычно составляет менее 25 кг/м2, где на долю теплоприемника приходится, как правило, около 5 кг/м2.
При работе с медью могут возникнуть затруднения, так как она твердеет (гартуется) при формовке и изгибании. Все металлические поверхности теплоприемников требуют тщательной очистки до нанесения черной краски на поверхность. Медь с большим трудом поддается окраске.
При креплении труб к теплоприемной пластине нужно учитывать трудности пайки или сварки. Припаивание медных труб к медным пластинам осуществляется сравнительно легко, а алюминий нельзя припаять или приварить к любому металлу без применения специальных средств, но достаточно успешно применяются механические соединения.
Рисунок 6.2 – Способ механического крепления медных труб
к алюминиевому листу:
1 – ребро алюминиевого теплоприемника; 2 – медная трубка
Стоимость теплоприемной пластины необходимо рассматривать совместно с тепловыми характеристиками. Эти характеристики для различных материалов показывают, что при существующих несоответствиях стоимости меди, алюминия, стали и нержавеющей стали, лучшим из них следует считать алюминий. К сожалению, совершенно не решенные проблемы борьбы с коррозией алюминия препятствуют его широкому использованию.
Существуют три основных конструкции, обеспечивающие контакт жидкости с теплоприемником с целью отбора тепла:
1) волнистый лист Томасона с открытой поверхностью (рисунок 5.3);
2) «труба в листе», применяемый в холодильной технике (каналы отформованы в теле теплоприемника);
3) наложение труб на пластину с тыльной или передней стороны.
Рисунок 6.3 – Плоский коллектор с открытым потоком:
1 – отверстия; 2 – гидравлический коллектор; 3 – от аккумулятора;
4 – к аккумулятору; 5 – сборный коллектор; 6 – волнистая кровля, окрашенная в черный цвет (или зачерненный волнистый алюминий)
Метод доктора Томасона имеет много преимуществ. При низких температурах (ниже 45 °С) характеристики этого теплоприемника конкурентоспособны с характеристиками трубчатых конструкций, однако его КПД резко падает при более высоких температурах. Несомненным достоинством такого теплоприемника является то, что он самосливной и не требует защиты от коррозии или замерзания. Холодная вода из бака подается насосом в гидравлический коллектор в верхней части конструкции. В этой коллекторной трубе просверлены отверстия диаметром 0,8 мм, расположенные напротив впадин волнистого листа. Нагретая вода собирается в желоб у основания конструкции и самотеком поступает обратно в бак – аккумулятор.
На рисунке 6.4 изображен теплоприемник типа «труба в листе». Трубы формуются в таком теплоприемнике при соединении двух листов. Схема расположения труб выдавливается на листах до процесса сварки; образование труб происходит при раздутии под давлением. В случае применения стали, два листа соединяются методом точечной сварки, жидкость будет проходить через зазор, образовавшийся между листами.
Рисунок 6.4 – Раздутый плоский солнечный металлический коллектор:
1 – сварные точки; 2 – поток; 3 – торцовые швы, полученные контактной сваркой
Поверхности теплоприемника (внешняя) и прозрачные покрытия над ней должны рассматриваться одновременно. Их функции сходны, и выбор покрытий связан с типом поверхности теплоприемника. Например, применение селективной поверхности в сочетании с одним прозрачным покрытием является более эффективным, чем черной краски на плоской поверхности с двумя покрытиями.
Главная функция поверхности теплоприемника заключается в увеличении процента поглощаемой энергии солнечного света. По определению, абсолютно черное тело является превосходным поглотителем излучения; волны всех длин при любом угле падения будут поглощаться абсолютно черным телом. Однако реальные тела всегда будут отражать часть излучения, причем, в возрастающей степени при увеличении угла падения.
Абсолютно черное тело является также превосходным излучателем тепловой радиации. Хотя в природе не существует совершенных излучателей, большинство черных цветов поглощает столько же энергии, сколько они одновременно и излучают – 90...95 %. Идеальной поверхностью теплоприемника будет та, которая не отражает коротковолнового светового излучения (она его полностью поглощает) и полностью отражает длинноволновое излучение (совершенно его не излучает). Такая идеальная поверхность называется селективной поверхностью.
К сожалению, селективные поверхности пока еще дороги. Однако для обычных целей можно использовать черную матовую краску. Прежде всего, поверхность теплоприемника должна быть тщательно очищена, для этой цели можно прибегнуть даже к кислой ванне. Различные черные краски можно проверить путем измерения температур поверхностей, покрытых этими красками и находящихся под солнечными лучами.
Остекление. Термин «остекление» является общим обозначением довольно большой группы прозрачных материалов, которые применяются для ограждения поверхности теплоприемника. Солнечный свет проникает через прозрачный (для солнечного света) материал, попадает на теплоприемную поверхность, поглощается ею и превращается в длинноволновое инфракрасное излучение. Ранее прозрачный материал теперь в определенной мере непрозрачен для длинных волн, и тепло удерживается внутри.
В качестве испытанного покрытия стекло является одним из наиболее предпочтительных материалов. Оно:
1) доступно;
2) имеет хорошую пропускающую способность;
3) непроницаемо для длинноволнового теплового излучения;
4) термически устойчиво при повышенных температурах;
5) обладает сравнительно хорошим сопротивлением царапанью и воздействию атмосферных факторов.
Недостатки стекла:
1) трудность в транспортировке, хранении, необходимость монтажа в коллектор на месте его установки по причине хрупкости;
2) неспособность перекрывать большие площади;
3) необходимость применения множества сложных и дорогостоящих деталей крепления вследствие размерных ограничений;
4) высокая стоимость.
При использовании стекла необходимо предусмотреть возможность для термического расширения и сжатия внутри рамы при одновременном обеспечении герметичности против инфильтрации влаги и воздуха. Оно не должно непосредственно контактировать с металлом из-за возможного перегрева. Стекло также выбирают по условию минимального содержания железа для увеличения светопропускания.
В системах с двойным остеклением промежуток между слоями должен вентилироваться для удаления воды в результате возможной протечки и конденсации влаги.
Выбор количества покрытий является исключительно важным фактором. Вообще, чем ниже требуемая температура коллектора, тем меньше нужно покрытий. Например, подогреватели воды в плавательных бассейнах могут совсем не нуждаться в покрытии.
Чем больше число покрытий, тем больше они поглощают и отражают солнечной энергии и тем меньшая доля энергии солнечного света достигает поверхности теплоприемника. Это особенно проявляется при острых углах падения. Чем ниже температура наружного воздуха, тем большее число покрытий требуется для получения нужных рабочих температур коллектора без снижения его КПД.
При использовании коллектора для ночного радиационного охлаждения, при котором теплоноситель циркулирует через коллектор, охлаждаясь вследствие излучения в окружающее пространство, никакого стеклянного покрытия не требуется.
Дополнительное покрытие может обеспечить более высокий КПД, но дополнительная стоимость установки может не оправдать его применения. Помимо монтажа покрытия существуют дополнительные издержки на аккумулирование тепла. Два покрытия обеспечат более высокую температуру аккумулятора, повысив величину эффективной емкости аккумулятора без увеличения затрат на установку; одно стеклянное покрытие может привести к увеличению размеров не только аккумулятора, но и элементов всей системы отопления, чтобы обеспечить эффективность работы при более низких температурах аккумулятора.
Хоттел утверждает: «Оптимальное число слоев стекла тем больше, чем выше требуемая рабочая температура черной пластины. Для бытового горячего водоснабжения оптимальным обычно будет один слой. Для отопления помещения обычно оправдано применение двух слоев стекла».
Конечно, это только приблизительные указания. Реальное решение должно основываться на стоимостных и других соображениях:
1) конфигурации коллектора;
2) материалов, из которых он изготовлен;
3) конструкции оборудования и аккумулятора.
Зазор между покрытиями выбирается главным образом исходя из его влияния на КПД коллектора и стоимости монтажа. КПД коллектора зависит от тени, отбрасываемой переплетом покрытия на поверхность поглотителя, и от разницы изолирующих способностей воздушного промежутка разной толщины; наиболее эффективны промежутка 12...25 мм.
Селективные покрытия. Идеальной поверхностью теплоприемника будет та, которая не отражает коротковолнового светового излучения (она его полностью поглощает) и полностью отражает длинноволновое излучение (совершенно его не излучает). Такая идеальная поверхность называется селективной поверхностью.
Эффективность селективной поверхности измеряется:
1) коэффициентом поглощения солнечной энергии;
2) относительной излучательной способностью длинноволновой тепловой радиации;
3) отношением поглощательной способности к излучательной.
Применение селективно-поглощающих покрытий – наиболее эффективный способ повышение КПД плоских коллекторов. Самый распространенный тип селективных покрытий – тонкие пленки на металлической основе, поглощающие видимый свет и пропускающие инфракрасное излучение (ИК). К ним относятся покрытия из черного хрома и черного никеля, наносимые электрохимическим способом на подложку из никеля, цинка, олова или меди. Селективные краски получают из прозрачных в ИК-области полупроводников в виде мелкого порошка с большой порозностью для снижения эффективного коэффициента отражения поверхности.
Селективные покрытия оцениваются по:
1) возможности их нанесения на определенный материал;
2) стоимости;
3) наличию;
4) долговечности.
Каждое покрытие предназначено для нанесения на определенный материал (покрытие, пригодное для меди, необязательно годится для алюминия). Стоимость является важным фактором, поскольку применение селективных покрытий либо снижает затраты на другие элементы коллектора (например, устраняет необходимость в двойном остеклении), либо значительно улучшает характеристики коллектора (а это оправдывает затраты) путем повышения рабочей температуры, получаемой от коллектора, или путем увеличения общего количества поглощаемой энергии.
Покрытие черным хромом наиболее перспективно для получения требуемых оптических свойств и высокой термической стабильности. Но плотность электрического тока при нанесении черного хрома почти в 100 раз выше, чем для черного никеля, отсюда и высокая стоимость селективных поверхностей с черным хромом.
Не все селективные покрытия легко доступны. Иногда эти трудности связаны с высокими транспортными расходами до завода, где наносится покрытие, и обратно до потребителя. Ограничивает их применение и сложный процесс нанесения, требующий контроля качества. Обычными методами нанесения покрытий являются ванны:
1) гальванические;
2) химические;
3) пароосадительные.
Долговечность является ключевым фактором при выборе типа покрытия.
Среди разрушительных факторов следует отметить:
1) влагу;
2) высокие температуры;
3) солнечный свет.
Примерное сравнение характеристик черных матовых красок и селективных покрытий представлено на рисунке 6.5.
Рисунок 6.5 – Влияние свойств покрытия теплоприемника
и кратности остекления на КПД коллектора:
сплошная линия – черная матовая краска; п унктир – селективное покрытие; 0 – отсутствие остекления; 1 – однослойное остекление;
2 – двухслойное остекление; 3 – трехслойное остекление.
Теплоприемник с черной матовой поверхностью и двумя прозрачными покрытиями имеет примерно те же характеристики, что и с селективным покрытием и одним стеклом. При температурах коллектора ниже 65 °С второе стекло поверх селективной поверхности существенно не влияет на рабочие характеристики коллектора. Однако при температурах достаточно высоких для приведение в действие абсорбционного охлаждающего оборудования (80 °С), может потребоваться второе покрытие. При низких рабочих температурах (ниже 40 °С), с другой стороны, применение селективного покрытия может не приводить к повышению КПД. В настоящее время затраты на селективные покрытия лишь иногда вызывают увеличение общей стоимости.
Технологии нанесения селективных покрытий:
1) черный никель;
2) черный хром;
3) окись меди на алюминии;
4) окись меди на меди.
Изоляция. Для уменьшения потери тепла теплоприемником к тыльной его поверхности крепится слой изоляции. Если коллектор устанавливается на ограждающей конструкции здания (стене, крыше), то тепло не теряется, а передается самому зданию. Зимой это является преимуществом, а летом – недостатком. За исключением районов с низкими летними температурами, коллектор должен иметь изоляцию для сведения к минимуму этого «добавочного тепла» и повышения его КПД. Обычным для коллекторов, устанавливаемых на крыше, является слой стекловолокнистой или эквивалентной изоляции толщиной до 150 мм; для вертикальных коллекторов толщину ее можно уменьшить до 100 мм. Если же коллектор представляет собой отдельно стоящее сооружение, то толщина изоляции должна составлять 150...200 мм.
Стекловолокнистая изоляция предпочтительнее стирофомной или уретановой благодаря устойчивости при повышенных температурах. Некоторые виды уретанов деформируются, вспучиваются и выделяют потенциально токсичные газы. Воспламеняемость также должна приниматься во внимание.
По возможности изоляция должна быть отделена от поверхности теплоприемной пластины поглотителя воздушным промежутком. Благодаря этому тепло отражается обратно к теплоприемнику, снижая температуру изоляции и повышая КПД коллектора.
Кромки поверхности коллектора по периметру необходимо изолировать для уменьшения концевых потерь. Не следует злоупотреблять изоляцией, если она уменьшает потенциальную поверхность коллектора.
Для коллекторов, которые отделены от зданий или прикреплены своей собственной конструкцией к кровле, ветровые нагрузки являются основным фактором в конструктивном расчете опорной системы. Для уменьшения стоимости конструктивной системы и парусности коллектора площади поверхности должны быть небольшими, чтобы обеспечить низкий аэродинамический профиль. Этого можно добиться, расположив длинные низкие коллекторы друг за другом.
Удобство осмотра и обслуживания. Поверхности больших коллекторов могут потребовать большего ухода, чем обычные стены и крыши; кроме того, их труднее обслуживать из-за сравнительно скользких и хрупких поверхностей покрытий. Проблемы доступа к коллекторам могут быть частично решены путем устройства длинных и низких коллекторов. Там, где местные атмосферные и климатические условия требуют частого мытья окон, удобство обслуживания приобретает еще большее значение. Во всяком случае, при проектировании элементов покрытий необходимо учитывать массу обслуживающего персонала.
Прототип солнечного коллектора показан на рисунке 6.6.
Рисунок 6.6 – Солнечный коллектор с двумя стеклянными
покрытиями и медным теплоприемником типа «труба в листе»:
а – коллектор; 1 – поток воды в следующий коллектор; 2 – поток воды из предыдущего коллектора; 3 – два стеклянных покрытия; 4 – медный теплоприемник с верхней поверхностью, окрашенной в черный цвет;
5 – паяное соединение; 6 – стропила размером 50Х200 мм с расстоянием между центрами 610 мм; 7 – медные трубы; 8 – разрез коллектора: стекло не должно содержать железа, пропускная способность через один слой должна быть более 90 %, алюминиевая накладка, закрывающая заполненный мастикой промежуток между коллекторами;
9 – медная пластина толщиной 0,5 мм; 10 – стекло толщиной до 5 мм; 11 – стекло толщиной 3,2 мм; 12 – окрашено в черный цвет; 13 – зазор; 14 – пайка; 15 – медная труба диаметром 12,5 мм; 16 – алюминиевая фольга; 17 – крепежные накладки; 18 – изоляция (110 мм); 19 – стропила размером 50Х200 мм с расстоянием между центрами 610 мм;
20 – пространство, вентилирующееся летом для охлаждения потока;
21 – изоляционная плита
Остин Уиллер исследовал эффект теплопроводности соединений и сделал вывод, что стальные трубы не уступают медным, если соединение между трубой и пластиной имеет хорошую теплопроводность. Теплопроводность соединений может находиться в пределах от 1,7 кВт/(м·град) для надежно припаянной трубы, до 5,5 кВт/(м·град) для плохо закрепленной или ненадежно припаянной трубы. Штампованные пластины с трубными профилями являются наилучшим вариантом по своим характеристикам, но они требуют оборудования для массового производства, чтобы получить экономический эффект.
На рисунке 6.7 показаны три схемы расположения труб:
1) под пластиной;
2) над пластиной;
3) составляющие одно целое с пластиной.
4)
Рисунок 6.7 – Конфигурация типа «труба в листе»:
1 – трубы под пластиной; 2 – трубы над пластиной; 3 – трубы, объединенные с пластиной
Система «Солярис» Гарри Томасона, в которой вода стекает по поверхности волнистого листа из алюминия или оцинкованной стали, не сталкивается со многими проблемами замерзания, которые связаны с коллекторами трубчатого типа. Детали конька и водосточного желоба его системы показаны на рис. 6.8. Два варианта теплоприемника типа «труба в листе» показаны на рис. 6.9, 6.10. В обоих коллекторах тыльная сторона теплоприемной пластины изолирована пенополиуретаном.
| 
|
Рисунок 6.8 – Детали коллектора «Солярис» Гарри Томасона:
1 – алюминиевый фартук; 2 – полоска из резины или винила; 3 – резиновая или виниловая прокладка; 4 – стекло (один или два слоя);
5 – медная труба диаметром 12,5 мм, отверстия диаметром 0,8 мм;
6 – волнистый алюминиевый лист; 7 – стекловолокнистая изоляция;
8 – кровля; 9 – обрешетка; 10 – стропила; 11 – стекло; 12 – желоб коллектора.
Рисунок 6.9 – Прототип дешевого плоского солнечного
коллектора:
1 – воздушный промежуток; 2 – каналы для хладагентов; 3 – стеклянное покрытие; 4 – опорные стойки для стеклянного покрытия; 5 – эластомерное уплотнение; 6 – с