СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР В ВАКУУМИРОВАННОМ СТЕКЛОПАКЕТЕ

Солнечный коллектор - устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

При разработке солнечного коллектора в стекле одной из главных задач является снижение тепловых и оптических потерь. Оптические потери напрямую зависят от коэффициента поглощения лучепоглощающего слоя и коэффициента пропускания светопрозрачного слоя, т.е. чем выше данные значения, тем ниже потери.

Светопрозрачный слой должен иметь максимальное светопроницание. В качестве материалов такими свойствами обладают стекло и оргстекло с значением светопроницания около 92%. В настоящее время разработан новый материал, со значением светопроницаемости около 96-98%. Это так называемое гелио-стекло с низким содержанием железа. Однако этот материал обладает высокой стоимостью, что увеличивает затраты на коллектор в целом.

Прозрачная изоляция СК должна быть выполнена из стекла или полимерных материалов, устойчивых к атмосферным осадкам и эксплуатационным воздействиям. Преимущество прозрачной изоляции из полимерных материалов заключается в большей прочности по сравнению со стеклом, но она является менее стойкой к высоким температурам, УФ-излучению, и обладает меньшей пропускательной способностью, чем стекло.

Схема конструкции ВСП показана на рис.1. Вакуумированный стеклопакет состоит из двух листов стекла (1) с вакуумным зазором (3), равным 0,15 – 0,2 мм. Давление откачанного воздуха порядка мм рт.ст. [2], вследствие чего существенно снижаются теплопотери конструкции в целом.

Рисунок 1. Конструкция ВСП: 1 - лист стекла,

2 - стеклокерамические фиксаторы, 3 — вакуумный зазор, 4 - шов герметизации

Между стеклами установлены фиксаторы расстояния (2), диаметром 0,25 – 0,4 мм и высотой, соответствующей значению зазора – 0,15 – 0,2 мм; шаг установки 25 – 40 мм задан конструктивна, для предотвращения разрушения стекла из-за перепада разницы атмосферного давления и и давления внутри ВСП. Выполняются фиксаторы из стеклокерамики или нержавеющей стали. Однако, первый вариант более эффективен, т.к. теплопроводность стали значительно выше. По периметру стекла соединены швом герметезации (4).

Первый патент на конструкцию вакуумированных стеклопакетов датируется 1913 годом. В последствии многие ученые из Европы, США и Австралии занимались разработками ВСП [3, 4]. Массовое производство ВСП в мире первой начала японская фирма Nippon Sheet Glass в 1990 году.

Авторы исследования [5] сделал анализ влияния толщины стекол на коэффициент теплопередачи вакуумированного стеклопакета. Из их расчетов следует, что у образцов ВСП размерами 1 х 1 метр и больше при уменьшении толщины стекол коэффициент теплопередачи увеличивается, а для размеров меньших 1 х 1 метр обратная зависимость – при уменьшении толщины стекол уменьшается коэффициент теплопередачи. В качестве объяснения авторы приводят теорию, что важную роль играют теплопотери через швы герметезации, которые для маленьких размеров стекла значительны (так называемый краевой эффект)

Автор [5] установили зависимость коэффициента теплопередачи от излучательной способности £ стекол (которая зависит от селективного покрытия) и сделал вывод, что при значении излучательной способности стекла с селективным покрытием £ = 0,02 достаточно одного селективного покрытия, т.к. при дальнейшем увеличении количества слоев покрытия не ведет к уменьшению коэффициенту теплопередачи.

Однако при использовании твердых селективных покрытий есть смысл наносить 2 слоя покрытия, т.к. это весомо уменьшает коэффициент теплопередачи ВСП. Так, при £ = 0,16 коэффициент теплопередачи ВСП с одним селективным покрытием составляет 1,3 Вт/(м2 · К), с двумя селективными покрытиями —1,0 Вт/(м2 · К) (Рис. 2).

Рисунок 2. Коэффициенты теплопередачи остеклений с одним и двумя селективными покрытиями

Представленные данные получены из исследований, где ВСП использовались в качестве оконных заполнений. Условия использования в солнечных коллекторах существенно отличаются (рабочая температура выше, есть угол наклона приемной площадки к горизонту).

В результате проведенных натурных испытаний в работе [1], можно сделать расчет оптимальных характеристик вакуумированного стеклопакета для получения наиболее эффективного солнечного коллектора. Прежде всего это нанесение одного слоя селективного покрытия с излучательной способностью £ = 0,1 на внутреннюю поверхность стекла и создание вакуума с давлением не выше мм рт.ст. При таких характеристиках сопротивление теплопередаче имеет значение 0,77 (м2 · К)/ Вт,  что выше сопротивления теплопередачи солнечного коллектора с одинарным остеклением с селективным покрытием в 3 раза.

Список литературы:

1. И. В. Митина. Повышение эффективности солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.08 / Митина Ирина Валерьевна; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед. ин-т электирификации сельс. хоз-ва]. - Москва, 2009. - 148 с. : ил.
2. Патент RU 2165510 CI МКИ3 E 06 В 3/66. Стеклоблок для окон/ Ивлюшкин А.Н., Карпов В.Ю., Самородов В.Г. // Российское агентство по патентам и товарным знакам.
3. Патент RU 2165510 CI МКИ3 E 06 В 3/66. Стеклоблок для окон/ Ивлюшкин А.Н., Карпов В.Ю., Самородов В.Г. // Российское агентство по патентам и товарным знакам.
4. US Patent 4 683 154. Laser sealed vacuum insulation window / D.K. Benson, C.E. Tracy. 1987.
5. Казанджан Б.И., Солодов А.П., Такаев Б.В. Воздушный солнечный коллектор с прозрачной тепловой изоляцией капиллярного типа // Вестник МЭИ, 2002, № 3. С. 49 - 55.