Тепловые коллекторы солнечные: принцип работы, популярные марки и как сделать самому

Солнечные тепловые панели

Solar — обогрейте дом бесплатно

Воспользуйтесь преимуществами бесплатной энергии солнечного света с солнечными панелями и коллекторами SOLARFOCUS.Солнечные коллекторы эффективны даже в пасмурную погоду, преобразуя солнечный свет в тепловую энергию, которую затем можно использовать для бесплатного обогрева помещения.

Отличительными чертами солнечных тепловых систем отопления SOLARFOCUS являются:

• Отличное качество изготовления
• Использование высококачественных материалов
• Подходит для универсального применения: приготовление горячей воды, поддержка солнечного отопления, обогрев плавательных бассейнов

Начните экономить деньги и электроэнергию уже сегодня с отопительным решением SOLARFOCUS.Узнайте больше о наших продуктах ниже или обратитесь к местному контактному лицу SOLARFOCUS в меню слева.

• Оптимальное использование света при малом угле падения
• Неизменно высокий урожай на протяжении десятилетий благодаря герметичной конструкции
• Без вентиляционных отверстий — без пластика — без дерева — без изоляции — без резиновых уплотнений
• Гарантия 10 лет от конденсата

Перейти к сборщику цен за клик

• Тонкая линия для любого кошелька
• Без пластика — без дерева — без резиновых уплотнителей
• Высокоселективный медный поглотитель полной площади с синей линией

Перейти к коллекционеру Саннилайн

• Экономичный коллектор
• Без пластика — без дерева — без резиновых уплотнителей
• Высокоселективное абсорбирующее покрытие

Перейти в SUNeco-Collector

Строительство двери для солнечных батарей (солнечный форум в Перми)

Я закончил этот проект этой осенью с помощью моих жены и отца.В нашем сарае есть два дверных проема шириной 8 футов на южной стороне, которые я хотел сделать. Я также хотел попробовать пассивный солнечный тепловой коллектор в надежде разместить его на верхнем этаже того же сарая (хранилище в подвале, магазин древесины на первом этаже). Так почему бы не сделать двери одновременно с солнечными коллекторами?

Для тех, кто не знает, солнечный тепловой коллектор — это, по сути, камера, которую вы строите сбоку от здания с остеклением и воздушными портами обратно в здание. Воздух поступает через нижний порт и нагревается солнцем.Он поднимается и снова входит в здание через верхний порт. Вот более хорошо описанный пример солнечного теплового коллектора Thermosyphon.

Сначала я укрепил центральную стойку. Сообщение — это преувеличение, я удивлен, что сарай остался в таком состоянии. Я обернул его фанерой размером 2х12 и заполнил пространство между стойкой и деревом рыхлой цементной смесью. Тогда я смог нормально прикрепить петли к стойке.

Я построил двери из 2х4 и самой тонкой / дешевой фанеры, которую смог достать.Мы вырезаем воздуховоды вверху и внизу, оставляя немного фанеры посередине, чтобы придать двери большее сопротивление стеллажу (т.е. 2 верхних порта вместо одного широкого). Затем покрасили их в темно-коричневый цвет (дешевая краска Restore). Я взял металлическую оконную сетку и прикрепил ее к каждой дверной камере, чтобы солнце могло нагревать экран, а воздух, проходящий через экран, поглощал это тепло. Экран не вертикальный, он начинается снизу от остекления, а сверху крепится к фанере.Это заставляет весь воздух проходить через него. К сожалению, для этой части нет изображений, но ссылка выше прекрасно это объясняет.

Затем я положил двойную пленку на поверхность двери. Спустя 8 петель их установили. На верхний порт я положил дополнительную оконную сетку на внутреннюю часть двери и кусок тонкого материала мешка для мусора, который действует как обратный клапан. Он позволяет воздуху подниматься в камеру и попадать в комнату в тепле, но ночью, когда воздух охлаждается и пытается опуститься, заслонки предотвращают движение воздуха.Вы можете увидеть, как открываются откидные створки, когда сквозь них льется тепло на фотографиях салона.

Извините, я не сделал больше фотографий, надеюсь, ссылка выше Build It Solar поможет сделать все это более понятным.

Хотелось бы, чтобы двухслойные полиэтиленовые панели были более четкими, чем в итоге. Я не мог сказать, какие они морозные в магазине, так как на них есть защитная пленка.

Я был приятно удивлен тем, что темные недра сарая кажутся лучше освещенными при закрытых дверях, чем при открытых.Что-то в рассеянном свете через относительно небольшие воздушные каналы приятно направляет свет на заднюю часть сарая.

Я использую эти двери примерно раз в месяц, так как с западной стороны сарая есть дверь для мужчин. Если бы это был единственный способ попасть в сарай, я бы построил их намного сильнее.

Сезонное накопление солнечной тепловой энергии

1. Введение

Накопление солнечной тепловой энергии — не новая концепция. Ранние люди осознали изобилие солнечной энергии и изобрели множество способов улавливания этой энергии.Греческий историк Ксенофонт писал об учении Сократа о том, как сориентировать здание, чтобы сохранить тепло зимой и прохладу летом. Римляне размещали много окон на южной стене бани, чтобы обеспечить обогрев ванн и уменьшить количество топлива, необходимого для их гипокауста или огня в бане. Коренные американцы в каньонах Аризоны использовали обнажение южной скалы каньона, чтобы обогреть свои глинобитные здания, хитроумно расположенные в пещерах, так, чтобы низкий зимний угол солнечного света пропитал их солнечным светом, в то время как летний угол был бы выше и, следовательно, отсутствовал бы здания [ 1].

Накопление тепловой энергии восходит к тем временам, когда люди жили в естественных пещерах. Пещеры теплые зимой и холодные летом по сравнению с температурой снаружи. Обитатели пещер воспользовались преимуществами глубоких подземных пещер (глубокие подземные сооружения), температура которых меняется в зависимости от сезона практически незаметно. Исторические записи показывают, что самой старой формой хранения тепловой энергии является сбор льда и снега для хранения продуктов, холодных напитков и охлаждения помещений [2]. Исторические записи также показывают, что римляне, греки и китайцы изучали использование изогнутых зеркал для концентрации солнечных лучей, которые могли вызвать пламя и взрыв.Согласно греческой легенде, в 212 г. до н.э. Архимед использовал зеркала, чтобы сфокусировать солнечный свет на кораблях вторгшегося римского флота в Сиракузах и уничтожил флот [3].

В 1767 году французско-швейцарский ученый Гораций Бенедикт де Соссюр построил первый уловитель солнечного тепла, который можно было использовать для приготовления пищи [4]. Более 100 лет спустя, в 1876 году, Адамс изобрел первое серийное солнечное тепловое устройство, добавив концентратор солнечной энергии к солнечному улавливателю тепла де Соссюра [5, 6]. Восьмиугольная солнечная печь Адамса, оснащенная восемью солнечными концентраторами (зеркалами), по сообщениям, готовила пайки для семи солдат за 2 часа.Адамс сообщил: «Пайки семи солдат, состоящие из мяса и овощей, тщательно готовятся им за два часа в январе, самом холодном месяце года в Бомбее, и мужчины заявляют, что еда приготовлена ​​намного лучше, чем в обычным образом. » Его солнечная печь массово производилась в Индии и стала довольно популярной. В Соединенных Штатах солнечная печь Адамса стала популярным продуктом для кемпинга и учебным устройством для студентов-подростков [3, 6]. Приготовление пищи для солдат с использованием солнечной печи также было исследовано французским математиком Мушо.Через год после изобретения Адамса, в 1877 году, Мушо изобрел солнечные плиты для французских солдат в Алжире, включая блестящий металлический конус, сделанный из сечения круга 105,5 °. Он построил отдельную плиту для приготовления овощей на пару и написал первую книгу по солнечной энергии и ее промышленному применению [7]. Ван Сипин, участник Первой Всемирной конференции по приготовлению пищи на солнечных батареях, состоявшейся в Стоктоне, Калифорния, в 1992 году, представил использование солнечной энергии для приготовления пищи в Китае, когда утка по-пекински была запечена в Утиной лавке Сяо в Чэнду, Китай, в 1894 году [8] .

Кларенсу Кемпу приписывают первый коммерчески доступный солнечный водонагреватель, запатентованный в 1891 году под названием «Climax» [9]. Изобретение Climax привело к кратковременному взрыву в солнечных тепловых технологиях. Уильям Бейли в 1909 году разработал солнечный водонагреватель под названием «День и ночь», в котором нагреватель отделен от изолированного резервуара, чтобы продлить срок действия доступной горячей воды [9]. Первая коммерческая солнечная электростанция производила пар и была построена в Египте в 1913 году, при этом ее стоимость энергии сравнивалась с углем в то время [10].Однако эти более ранние технологии полагались на суточные солнечные циклы и могли использоваться только в климате, где температура окружающей среды оставалась выше нуля.

Накопление тепловой энергии стало быстрорастущим бизнесом. «Я ожидаю, что тепловая нагрузка будет больше, чем у батарей, — сказал генеральный директор Ice Energy Майк Хопкинс, — поскольку тепловая нагрузка — это большая нагрузка. Это проблемные нагрузки; это нагрузки, которые не поддаются использованию аккумуляторов ». [11]. Сегодня большинство технологий аккумулирования тепловой энергии либо полностью разработаны и коммерциализированы, либо находятся в стадии демонстрации и разработки.На рисунке 1 показаны этапы различных технологий аккумулирования тепла. На Рисунке 1 показаны некоторые ключевые технологии с учетом связанных с ними требований к начальным капиталовложениям и технологического риска в сравнении с их текущей фазой разработки (т.е. фазы НИОКР, демонстрации и внедрения или коммерциализации) [12].

Рисунок 1.

Зрелость технологий хранения тепловой энергии [12].

Текущие исследования и разработки аккумуляторов тепловой энергии в основном сосредоточены на снижении затрат на аккумуляторы высокой плотности, включая термохимические процессы и разработку материалов с фазовым переходом (PCM) [12].Системы хранения тепла нашли применение по всему миру. Например, резервуары для хранения холодной воды были установлены по всему миру для обеспечения охлаждающей способности коммерческих и промышленных предприятий. В Канаде, Германии, Нидерландах и Швеции накопители тепловой энергии в скважинах и водоносных горизонтах обеспечивают как обогрев, так и охлаждение. В Соединенных Штатах, по оценкам, для снижения пикового энергопотребления в районах с большим количеством холодных дней было развернуто примерно 1 ГВт ледяной камеры [13]. Системы скважин и водоносных горизонтов были успешно развернуты в промышленных масштабах для обеспечения тепловой мощности в Нидерландах, Норвегии и Канаде.Сообщество Drake Landing Solar в Окотоксе, Канада, является первым крупным проектом по внедрению сезонного накопления тепловой энергии в скважинах для централизованного теплоснабжения в Северной Америке. Это также первая система такого типа, предназначенная для обеспечения более 90% отопления помещений солнечной энергией, и первая система, работающая в таком холодном климате [14].

Термохимическое хранилище, в котором обратимые химические реакции используются для хранения охлаждающей способности в форме химических соединений, в настоящее время является основным направлением научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по хранению тепла из-за его способности достигать плотности хранения энергии в 5-20 раз больше, чем разумное хранение [12].

Основное внимание в следующем разделе будет уделено технологиям аккумулирования тепла явной и скрытой теплоты (т. Е. Технологиям, которые были полностью разработаны и коммерциализированы или находятся на стадии демонстрации и внедрения).

2. Типы технологий накопления тепловой энергии

Накопление тепловой энергии — это технология, которая позволяет передавать и накапливать тепло в подходящей среде. Это технология, которая позволяет накапливать тепловую энергию путем нагрева или охлаждения носителя для последующего использования для обогрева или охлаждения, а также для выработки электроэнергии.Сезонное хранение определяется как способность хранить энергию в течение дней, недель или месяцев, чтобы компенсировать более длительные перебои в поставках или сезонные колебания на стороне спроса и предложения энергосистемы (например, хранение тепла летом для использования зимой через подземные системы хранения тепловой энергии) [12]. Преимущества использования накопителей тепловой энергии включают: повышенный общий КПД, лучшую надежность, лучшую экономичность и меньшее загрязнение окружающей среды (меньшее количество выбросов углекислого газа — CO ₂ ) [15].Выбор накопителя тепловой энергии зависит от требуемой продолжительности хранения, то есть суточной или сезонной, экономической целесообразности, типа источника энергии и условий эксплуатации. Накопители тепловой энергии можно классифицировать по типу применения, типу конечного пользователя, типу технологии и типу используемого материала для хранения. На рисунке 2 подробно показана классификация.

Рисунок 2.

Классификация систем хранения тепловой энергии.

Основными характеристиками системы аккумулирования тепловой энергии являются: (а) ее емкость на единицу объема; (b) температурный диапазон, в котором он работает, то есть температура, при которой тепло добавляется и удаляется из системы; (c) средства добавления или отвода тепла и связанные с ними разности температур; (г) температурное расслоение в хранилище; (e) требования к мощности для добавления или отвода тепла; (f) контейнеры, резервуары или другие конструктивные элементы, связанные с системой хранения; (g) средства контроля тепловых потерь из системы хранения и (h) его стоимость [16].

2.1 Система аккумулирования явного тепла

Наиболее распространенным типом аккумулирования тепловой энергии является аккумулирование явного тепла, в котором используются как твердые, так и жидкие типы накопителей, такие как камень, песок, глина, земля, вода и нефть. При накоплении явного тепла происходит изменение температуры среды, то есть температура либо повышается, либо понижается. Тепло отводится от накопителя всякий раз, когда это необходимо для удовлетворения нагрузки, например, для отопления помещений или для горячего водоснабжения. Отвод тепла от хранилища снижает его температуру.Несмотря на то, что существует много возможностей вариаций, физический накопитель тепла всегда состоит из: изолированного контейнера, теплоносителя и средств для добавления и отвода тепла.

В системах хранения явного горячего тепла тепло добавляется (т. Е. Температура повышается) к аккумулирующей среде, тогда как в системах аккумулирования тепла явным образом тепло отводится, что снижает температуру. В системе SHS количество запасенной энергии пропорционально разнице между температурами на входе и выходе носителя информации, массой носителя информации и его теплоемкостью [17].Основное уравнение для расчета количества накопленного тепла для систем аккумулирования явного тепла (SHS):

Q = mCpΔT = ρVCpΔTE1

, где Q — количество накопленного тепла [Дж], м — масса накопителя материал [кг], Cp — удельная теплоемкость накопительного материала [Дж / кг K], ΔT — изменение температуры [° C], ρ — плотность накопительного материала [кг / м ³ ] и V — объем хранимого материала [м ³ ].

Потери тепла от ощутимого теплового аккумулятора прямо пропорциональны разнице температур между аккумулятором и окружающей средой. Важным моментом в системах разумного аккумулирования тепла является скорость, с которой тепло может выделяться и отводиться, которая является функцией температуропроводности. Теплопроводность, которая является материальным свойством теплового аккумулятора, влияет на скорость зарядки и разрядки аккумулятора. Эта взаимосвязь выражается следующим уравнением [18].

λ = ρCpαE2

где λ — теплопроводность [Вт / м · К], ρ — плотность [кг / м ³ ], Cp — удельная теплоемкость [Дж / кг · К] и α — коэффициент температуропроводности [m ² / с].

Чтобы система аккумулирования тепловой энергии была эффективной, должны быть выполнены определенные требования. Требования к обычным материалам для аккумулирования явного тепла — высокая плотность энергии (высокая плотность и удельная теплоемкость) и хорошая теплопроводность (для жилых помещений обычно выше 0.3 Вт / м · К). Способность сохранять тепло в данном контейнере зависит от величины величины ρCp , теплоемкости [19]. Тепловые емкости различных материалов для хранения приведены в таблицах 1 и 2. Наиболее распространенные разумные средства хранения включают камни, песок, гальку, упакованные в изолированный контейнер. Эти материалы обладают рядом преимуществ, включая нетоксичность, негорючесть и более низкую цену. Теплоаккумулирующие материалы должны быть дешевыми и иметь хорошую теплоемкость. В таблице 3 перечислены недорогие теплоаккумуляторы, стоимость которых варьируется от 0.05 до 5.00 $ / кг. Единственным недостатком этих материалов является их низкая теплоемкость от 0,56 до 1,3 кДж / (кг ° C), что может сделать накопитель нереально большим [20]. Например, одним из недостатков камней, песка и гальки является то, что требуется большее количество из-за их меньшей способности аккумулировать тепло. Однако стоимость запоминающих устройств на единицу запасенной энергии для горных пород остается приемлемой [18].

Таблица 1.

Тепловая емкость выбранных твердых накопительных материалов [19, 20].

Таблица 2.

Тепловые емкости выбранных материалов для хранения жидкости [20].

Таблица 3.

Твердотельные недорогие материальные аккумуляторы тепла [20].

2.1.1 Явная система хранения твердого тепла

Явная твердотельная система хранения тепла имеет преимущества перед жидкостями из-за более высокого изменения температуры. То есть твердые тепловые накопители имеют то преимущество, что позволяют более высокие изменения температуры по сравнению с жидкостями. Следует отметить, что при разумном аккумулировании тепла фазовое изменение хранящей среды, будь то жидкое или твердое, отсутствует.Разумные твердые носители информации не плавятся, поэтому не текут, следовательно, утечки из контейнера для хранения не ожидается. На рисунке 3 показано использование твердого накопителя тепла. На схеме показан теплоаккумулятор в песчаной постели под полом гаража. Под плитой гаража находится накопитель солнечной энергии, который содержит мелкий песок и гравий в качестве накопителя тепла. Снизу песчаный слой был окаймлен 20-сантиметровым (8 ″) пенополистиролом, что привело к термическому сопротивлению RSI-5.64 (US R-32) изоляционный барьер между песчаной подушкой и землей. Четыре стороны песчаного слоя были изолированы 0,2 м (8 дюймов) пенополистирольной панелью с обеих сторон 0,2 м (8 дюймов) залитой бетонной фундаментной стены, всего 0,4 м (16 дюймов) изоляционной пены. Солнечные коллекторы нагревают водно-гликолевый раствор, который при нормальной работе проходит через теплообменник для нагрева резервуара для горячей воды для бытового потребления. Когда резервуар для горячей воды для бытового потребления не требует тепла, избыточное тепло направляется на песчаную подушку (накопитель тепла) под полом гаража для обогрева [21].Система имеет двойное назначение: обогрев гаража излучением и конвекцией и подогрев воды для бытового потребления.

Рис. 3.

Схема вакуумных трубчатых солнечных коллекторов и аккумуляторов тепла.

Примерное практическое правило для определения размеров — использовать 300–500 кг породы на квадратный метр площади коллектора для отопления помещений [18]. Хранилища с каменным или галечным дном также могут использоваться при гораздо более высоких температурах до 1000 ° C [18].

2.1.2 Система аккумулирования жидкого тепла

Для систем аккумулирования жидкого тепла диапазон температур, который может быть достигнут, ограничен их точками кипения.Тип жидкости, используемой в качестве среды для хранения, определяется желаемой температурой хранения. Вода с ее высокой удельной теплоемкостью является наиболее распространенным накопителем при температуре ниже 100 ° C. Экономически эффективное крупномасштабное накопление тепла возможно за счет использования естественных замкнутых подземных вод, таких как водоносные горизонты. Горячая вода закачивается в такие водоносные горизонты, тем самым вытесняя существующие холодные грунтовые воды. Это снизит стоимость аккумулирования тепла, поскольку единственные требуемые инвестиции — это стоимость сверления отверстий для закачки и забора воды.

Если вода используется для более высоких температур (температура выше 100 ° C), она должна находиться под давлением, что увеличивает стоимость; для такого случая ограничение воды является критической точкой, то есть 374 ° C [17]. Органические жидкости и высокомолекулярные масла также эффективны при более высоких температурах. Хотя на рынке есть масла, такие как Terminol, которые можно использовать без повышения давления в диапазоне от -10 до 320 ° C, их недостатком является низкая удельная теплоемкость (2.3 кДж / кг K против 4,19 кДж / кг K для воды). Кроме того, масла склонны к высокотемпературному крекингу, полимеризации и образованию летучих продуктов. Преимущества и недостатки воды как средства хранения перечислены ниже [18].

Преимущества:

1. Относительно недорогой, легко доступный, нетоксичный и негорючий,

2. Вода имеет сравнительно высокую удельную теплоемкость и высокую плотность,

3. Теплообменников можно избежать, если в качестве теплоносителя использовать воду в коллекторе,

4. Возможна одновременная загрузка и разгрузка накопительного бака и

5. Регулировка и управление водяной системой являются гибкими и гибкими.

Недостатки:

1. Замораживание или кипение,

2. Коррозионные свойства и

3. Рабочие температуры ограничены до 100 ° C.

Ур. (3) можно использовать для прогнозирования температуры хранения воды как функции времени [20].

ts = ti + ΔτmCpQu − QL − UsAstf − taE3

где Qu — скорость подвода энергии к тепловому коллектору, QL — скорость отвода энергии от коллектора, Us — коэффициент тепловых потерь емкости для хранения, Поскольку — площадь поверхности емкости для хранения, tf — конечная температура, ta — температура окружающей среды для емкости и τ — время.

На рисунке 4 показана схема типичной системы аккумулирования тепла в резервуаре для воды. В этой системе солнечный тепловой коллектор обеспечивает поступающее тепло, а нагрузка обслуживается за счет циркуляции горячей воды через теплообменник. На показанной схеме система также может применяться в системах горячего водоснабжения, поскольку теплообменник предотвращает загрязнение питьевой воды в системах горячего водоснабжения.

Рис. 4.

Схема типичного водяного теплоаккумулятора.

Системы накопления горячей воды, используемые в качестве буферных накопителей для горячего водоснабжения, обычно имеют объем от 500 л до нескольких кубических метров.Эта технология также используется в солнечных тепловых установках для горячего водоснабжения в сочетании с системами отопления зданий [20].

2.1.3 Разумная система хранения холода

В разумных системах хранения холода тепло отводится от носителя. Это снижает температуру носителя информации. Холодильное хранение может снизить эксплуатационные расходы. Это возможно при более низком тарифе на электроэнергию в непиковые часы. Холодильник может состоять из холодных камней или охлажденной воды.Система кондиционирования воздуха может быть оснащена радиаторами, которые могут использоваться как холодильные камеры, куда сбрасывается тепло. Подключение чиллеров к холодильным камерам — более эффективный способ их использования, хотя первоначальные инвестиционные затраты выше по сравнению с обычными системами кондиционирования воздуха без холодильных камер. Если вода используется в качестве среды хранения холода, необходимо большое количество, поскольку ее полезная температура несколько ограничена по сравнению с тем, когда она используется в качестве разумного хранилища тепла.

2.2 Система скрытого аккумулирования тепла

Скрытое аккумулирование тепла (LHS) основано на поглощении или выделении тепла, когда аккумулирующий материал претерпевает фазовый переход из твердого состояния в жидкость или из жидкости в газ или наоборот.Скрытая система аккумулирования тепла включает хранение энергии в материалах с фазовым переходом (PCM). Например, когда твердый материал плавится и превращается в жидкость, он поглощает тепло, не меняя своей температуры. Тепловая энергия сохраняется и высвобождается при изменении фазы материала. Скрытое аккумулирование тепла имеет то преимущество, что оно компактно, то есть для данного количества аккумулирования тепла объем PCM значительно меньше объема аккумулирования явного тепла. Это приводит к использованию меньшего количества изоляционного материала и его применимости в местах, где наличие свободного места является проблемой.Еще одним преимуществом материалов с фазовым переходом является то, что они могут применяться там, где есть строгая рабочая температура, поскольку хранилище может работать в изотермических условиях. Системы скрытого аккумулирования тепла также обладают преимуществом высокой плотности аккумулирования. Кроме того, небольшие изменения температуры в LHS приводят к накоплению большого количества тепла.

Сравнение систем LHS и SHS показывает, что с системами LHS можно получить примерно в 5–10 раз более высокую плотность хранения [18]. Объем хранилища ПКМ в два раза меньше, чем у воды.Системы LHS также могут использоваться в широком диапазоне температур [18]. Фазовый переход может быть от твердого к твердому, от твердого к жидкому, от твердого к газу, от жидкости к газу и наоборот. Когда фазовый переход происходит от твердого состояния к твердому, тепло сохраняется при переходе материала от одного кристаллического устройства к другому. Переходы от твердого тела к твердому имеют низкую скрытую теплоту. Превращения твердого вещества в газ и из жидкости в газ связаны с более высоким выделением скрытой теплоты и большим изменением объема; однако большое изменение объема является проблемой, поскольку требуется огромный контейнер, что делает систему более сложной и непрактичной.В результате наиболее выгодным фазовым переходом является переход от твердого тела к жидкости (небольшое изменение объема), хотя переходы от твердого тела к жидкости имеют низкую скрытую теплоту по сравнению с жидкостью в газ. Материалы с фазовым переходом из твердого состояния в жидкое экономически эффективны в качестве носителя для хранения тепловой энергии.

Поскольку сами PCM нельзя использовать в качестве теплоносителя, необходимо использовать отдельную среду теплопередачи с теплообменником между ними для передачи энергии от источника к PCM и от PCM к нагрузке.Используемый теплообменник должен быть спроектирован специально с учетом низкой температуропроводности ПКМ в целом. Как правило, требуется, чтобы контейнер PCM был совместим с PCM и мог обрабатывать изменения объема.

Емкость системы LHS со средой PCM определяется как [22]:

Q = mCspTm − Ti + amΔhm + ClpTf − TmE4

, где am — фракционное плавление, Clp — средняя теплоемкость между Tm и Tf [Дж / кг K], Csp — средняя удельная теплоемкость между Ti и Tm [кДж / кг K], Δhm — теплота плавления на единицу массы [Дж / кг], м — масса теплонакопителя [кг], Q — количество накопленного тепла [Дж], Tf — конечная температура [° C], Ti — начальная температура [° C] и Tm — температура плавления [° C].

Когда материал с фазовым переходом нагревается, сначала он ведет себя как физический накопитель тепловой энергии, и происходит изменение температуры. То есть вначале температура PCM начинает повышаться (рисунок 5). По достижении температуры фазового перехода PCM продолжает поглощать тепло, не изменяя его температуру. ПКМ начинает плавиться и переходить из твердой фазы в жидкую. Тепло, поглощаемое при постоянной температуре, называется скрытой теплотой фазового перехода.На рисунке 5 показан процесс перехода от твердого состояния к жидкости. Из рисунка 5 видно, что процесс фазового превращения происходит при постоянной температуре, а количество тепла, необходимое для его осуществления, известно как скрытая теплота. Энтальпия фазового перехода ПКМ обычно намного выше (в 100–200 раз), чем явное тепло, следовательно, накопители скрытого тепла имеют гораздо более высокую плотность хранения, чем накопители явного тепла [23].

Рис. 5.

Скрытый накопитель энергии при фазовом переходе твердое тело-жидкость.

В таблице 4 приведены теплофизические свойства доступных коммерческих ПКМ: органических, неорганических солей и эвтектик. Ни один материал не может обладать всеми необходимыми свойствами для идеального накопителя тепла. Поэтому на практике используются доступные материалы, и проектировщики стараются компенсировать плохие физические свойства адекватной конструкцией системы.

Таблица 4.

Свойства некоторых коммерческих материалов ПКМ: органических, неорганических планок и эвтектик [24, 25].

2.3 Классификация PCM

Многие материалы с фазовым переходом доступны в любом требуемом диапазоне температур. PCM обычно делятся на три основные категории: органические PCM, неорганические PCM и эвтектики органических и неорганических соединений. Подробная классификация ПКМ показана на рисунке 6. На рисунке 7 показан типичный диапазон энтальпии плавления и температуры плавления обычных классов материалов, используемых в качестве ПКМ.

Рисунок 6.

Классификация ПКМ [22].

Рисунок 7.

Классы материалов, которые могут быть использованы в качестве ПКМ, и их типичный диапазон температуры плавления и энтальпии плавления [26].

2.3.1 Органические ПКМ

Органические ПКМ обладают несколькими характеристиками, которые делают их полезными для хранения скрытой теплоты. Они химически стабильны, чем неорганические ПКМ. Было обнаружено, что они совместимы с различными строительными материалами и подходят для их поглощения. Одним из недостатков органических соединений является их начальная стоимость, превышающая неорганические ПКМ [27].Однако установленная стоимость органических ПКМ конкурентоспособна по сравнению с неорганическими ПКМ. Органические PCM горючие и могут выделять вредные пары при горении, что нежелательно. Также было обнаружено, что они вступают в реакцию с продуктами гидратации бетона. В таблице 5 суммированы преимущества и недостатки органических и неорганических ПКМ.

Таблица 5.

Сравнение органических и неорганических материалов для хранения тепла [26, 28].

2.3.2 Неорганические ПКМ

Неорганические ПКМ далее подразделяются на соли, гидраты солей и металлы.В целом, неорганические ПКМ имеют вдвое большую теплоемкость на единицу объема по сравнению с органическими ПКМ. У них более высокая теплопроводность, более высокая рабочая температура и более низкая стоимость по сравнению с материалами с органическим фазовым переходом [27]. Преимущества этих материалов: высокие значения скрытой теплоты, легковоспламеняемость, низкая стоимость и доступность. Однако неорганические ПКМ являются коррозионными, что приводит к короткому сроку службы системы и более высокой стоимости [29]. Соли и солевые гидраты могут страдать от фазовой сегрегации и переохлаждения, что обратимо влияет на емкость накопления энергии [30].Трудно поддерживать высокую плотность хранения материалов гидрата соли, и она обычно уменьшается при циклическом изменении. С другой стороны, металлы и металлические сплавы не подвержены фазовой сегрегации и переохлаждению, поэтому они могут применяться при высоких температурах [31]. Переохлаждение (также называемое переохлаждением) — это процесс охлаждения жидкости ниже точки замерзания без превращения жидкости в твердое тело. Это означает, что необходимо достичь температуры значительно ниже температуры плавления, пока ПКМ не начнет затвердевать и выделять тепло.Если эта температура не будет достигнута, ПКМ вообще не затвердеет и, таким образом, будет накапливать только физическое тепло [26]. На рис. 8 показаны процессы нагрева / плавления и охлаждения / затвердевания, включая переохлаждение.

Рис. 8.

Схема изменения температуры при плавлении и затвердевании ПКМ с переохлаждением (переохлаждением).

Самый известный ПКМ — это вода, которая уже более 2000 лет используется для холодного хранения [26]. В настоящее время современными являются холодильные камеры со льдом.При температурах ниже 0 ° C обычно используют водно-солевые растворы эвтектического состава [26].

2.3.3 Эвтектические ПКМ

Эвтектические композиции представляют собой смеси двух или более компонентов, которые одновременно затвердевают из жидкости при минимальной температуре замерзания [26]. Следовательно, ни одна из фаз не может опуститься из-за разной плотности. Эвтектические композиции не разделяются во время плавления и замораживания, потому что они замерзают до дружественной смеси кристаллов [32]. Переохлаждение наблюдается у многих эвтектических растворов [33].Кроме того, некоторые эвтектические растворы могут быть подвержены микробиологической атаке; следовательно, они должны быть защищены биоцидами [34]. Сообщалось, что эвтектические смеси жирной кислоты и спирта имеют подходящую температуру фазового перехода, высокую скрытую теплоту, более низкую цену и потенциал в качестве материалов для аккумулирования тепла для аккумулирования энергии в зданиях [35].

2.4 Выбор подходящего PCM

PCM, который будет использоваться при проектировании систем аккумулирования тепла, должен обладать желательными теплофизическими, кинетическими и химическими свойствами [22].Что касается тепловых свойств, то при выборе PCM для данного приложения рабочая температура нагрева или охлаждения должна соответствовать температуре перехода PCM. Скрытая теплота должна быть как можно более высокой, особенно по объему, чтобы минимизировать физический размер накопителя тепла. Необходимо учитывать следующие термические свойства.

1. Подходящая температура фазового перехода,

2. Высокая скрытая теплота перехода и

3. Хорошая теплопередача.

Стабильность фазы во время замораживания / плавления помогает в настройке аккумулирования тепла. Для достижения меньшего размера хранилища желательна высокая плотность. Небольшие изменения объема во время фазового превращения и небольшое давление пара при рабочих температурах помогают уменьшить проблемы с защитой. По этим причинам необходимо учитывать следующие физические свойства:

1. Благоприятное фазовое равновесие,

2. Высокая плотность,

3. Малое изменение объема и

4. Низкое давление пара.

Переохлаждение было проблемой при разработке PCM, особенно для гидратов солей. Переохлаждение более чем на несколько градусов помешает правильному отводу тепла из хранилища, а переохлаждение на 5–10 ° C может полностью предотвратить его. Таким образом, при выборе PCM необходимо учитывать следующие кинетические свойства:

1. без переохлаждения и

2. с достаточной скоростью кристаллизации.

PCM могут разлагаться, химически разлагаться или быть несовместимыми с материалами конструкции.В целях безопасности ПКМ должны быть нетоксичными, негорючими и невзрывоопасными. Необходимо учитывать следующие химические свойства:

1. Долговременная химическая стабильность,

2. Совместимость с конструкционными материалами,

3. Нетоксичность и

4. Нет опасности возгорания.

С точки зрения экономики, для того, чтобы PCM был рентабельным, в целом очень важна крупномасштабная доступность материалов с фазовым переходом.

3. Улучшение тепловых свойств ПКМ

Для того, чтобы ПКМ были рентабельными и эффективными, необходимо улучшить их тепловые свойства. Улучшение тепловых свойств, таких как теплопроводность, скрытая теплота и удельная теплоемкость, важно для рассматриваемого ПКМ для эффективной передачи тепла и сохранения большего количества тепловой энергии во время фазового перехода.

Теплопроводность может быть увеличена за счет: (1) вставки неподвижной металлической структуры, (2) добавления металлических наночастиц, (3) добавления углеродных добавок, таких как графит, графен и углеродные нанотрубки (УНТ) и (4), инкапсуляции ПКМ [36].Большинство исследователей, изучавших вставки стационарных металлических структур, сосредоточились на изучении конфигураций, формы, размера и количества этих вставок для оптимизации характеристик аккумулирования тепловой энергии [37–39]. Например, в исследовании, проведенном Sheikholeslami et al. [40], ребра и материалы с наноусиленным фазовым переходом (NEPCM) были использованы в качестве пассивных методов для ускорения процесса затвердевания. Они использовали метод конечных элементов, чтобы определить роль параметра излучения, длины ребра и фактора формы в минимизации времени затвердевания.Они использовали воду в качестве ПКМ и CuO в качестве наночастиц. Они сообщили, что использование наночастиц тромбоцитов приводит к наилучшим характеристикам, и что параметр излучения твердой фракции NEPCM имеет прямую связь с твердой фракцией NEPCM. По мере увеличения длины ребер скорость зарядки увеличивается из-за улучшения режима проводимости [40]. В другом исследовании Шейхолеслами исследовал влияние формы внутреннего цилиндра, диаметра наночастиц и объемной доли наножидкости на процесс затвердевания наночастиц CuO и водной смеси.Они сообщили, что добавление наночастиц может способствовать затвердеванию ПКМ с оптимальным значением диаметра для ускорения затвердевания 40 нм [41].

Были изучены такие параметры, как различные объемные доли и процентный вес наночастиц, которые улучшают тепловые характеристики (теплопередачу) аккумулирования тепла [42–44]. Добавки на основе углерода, а именно графит, графен и углеродные нанотрубки (УНТ) привлекли большое внимание и являются одной из наиболее многообещающих добавок, которые могут улучшить теплопередачу ПКМ [36].Сообщается, что теплопроводность парафинового воска может быть увеличена путем насыщения пористых графитовых матриц в парафине [45, 46]. Низкая теплопроводность парафинов и жирных кислот также может быть увеличена за счет использования тонкой инкапсуляции, увеличивающей площадь теплопередачи [47]. Инкапсуляция — это метод покрытия ПКМ (который составляет центральную часть инкапсулированного ПКМ) подходящим покрытием или материалом оболочки [36]. Цель инкапсуляции — удерживать жидкую и / или твердую фазу ПКМ и изолировать ее от окружающей среды, обеспечивая правильный состав ПКМ, который в противном случае изменился бы из-за смешивания ПКМ с окружающей жидкостью [36 ].Инкапсуляция также имеет то преимущество, что снижает реакцию PCM с окружающей средой, обеспечивая гибкость в процессах частого изменения фазы, повышая механическую стабильность PCM, улучшая совместимость опасных PCM, которые не могут быть напрямую использованы или погружены в определенных приложениях, таких как охлаждение здания / системы отопления [36]. По размеру инкапсулированные ПКМ могут быть классифицированы следующим образом [48]:

Удельная теплоемкость может быть увеличена за счет улучшения кристалличности ПКМ [49,

солнечный тепловой коллектор от китайского производителя, мануфактуры, завода и поставщика ECVV.com

Экспортные рынки:	Северная Америка, Восточная Европа, Средний Восток, Западная Европа
Место происхождения:	Цзянсу в Китае
Детали упаковки:	коробка

Технические характеристики

1.Давление тепловой трубы солнечный коллектор, которые работают с системой сплит солнечных водонагревательных

2. более высокая эффективность с ISO, CE, SOLAR KEYMARK, EN12975 и сертификатом SRCC

3.Пять лет гарантии

Модель	YM -58-20	YM-58-30
Информация о вакуумной трубке с тепловой трубкой:
Размер конденсатора	№14 * 64.5 мм
Спецификация стеклянной трубки	58 мм / 1800 мм (можно выбрать другую длину)
Толщина стеклянной трубки	1,6 мм или 2 мм можно выбрать
Материал стеклянной трубки	Боросиликатное стекло 3.3
Абсорбирующее покрытие	AL / N / AL, CU, SS
Вакуум	P ＜ 3,5 * 10-3 Па
Устойчивость к замерзанию	-35 ℃
Температура застоя	250 ℃
Информация для коллекционера:
Корпус коллектора	Алюминий с покраской
Изоляция	Стекловолокно
Площадь абсорбера ок.	1.600м2	2.450м2
Гидравлические соединения	G3 / 4 ”наружная резьба
Жидкость	1.2л	1,7 л
Максимальное рабочее давление	6бар
Испытательное давление	9бар
Теплоноситель	Смесь гликоль-вода
Максимум.рабочая температура	250 ℃
ветровая нагрузка	25 м / с
снеговая нагрузка	500 мм

.