Украина, г. Харьков
проспект Гагарина 98, оф. 406

Зеркальный солнечный концентратор против вакуумного коллектора: тестирование

Истощение запасов ископаемого топлива, реальное или кажущееся глобальное потепление заставляют людей все чаще обращаться к возобновляемым источникам энергии. Солнечный нагрев воды — один из самых простых путей решения очень энергоемкой проблемы. Однако давно используемые плоские и вакуумные коолекторы5 практически исчерпали резервы повышения эффективности, не решив по сути проблем возможного закипания, очистки от снега зимой, большой длины термостойких труб обвязки и неудобных ориентаций крыш. То есть для семейного использования, до 100-200л в день, они еще вполне пригодны и конкурентоспособны, но для кафе, отелей, ресторанов, спортзалов, цехов с потребностью от 0,5 куб.м/день и выше — уже далеко не совсем .

Параболоцилиндрические концентраторы (Parabolic trough concentrators или parabolic trough collectors по-английски) солнечной энергии достаточно широко используются в больших, промышленных масштабов, проектах солнечной энергетики 1-4. Общая длина осевого поглощающего элемента в них достигает сотни и больше метров, что позволяет ограничиться только вертикальным поворотом зеркал для отслеживания Солнца без заметных потерь от пренебрежения горизонтального отслеживания.

На фото ниже показан концентратор мощностью 300кВт 4 , расположенный в полусотне км южнее Пекина. Параболические зеркала длиной 60м и апертурой 5,77м фокусируют свет на вакуумные трубки диаметром 70мм (как в наших ПСК). Очевидно, что для одной-двух трубок необходимо двухкоординатное слежение, что и было осуществлено в СЭЛ, с учетом прогресса в разработках солнечных трекеров и снижения их рыночной стоимости до приемлемого диапазона.

Сравнительные испытания концентратора и коллектора 7.04.2020 в Харькове

Солнечное нагревание воды для малого и среднего бизнеса
Параболоцилиндрический концентратор промышленного типа
При разработке линейки параболических солнечных концентраторов ПСК были использованы результаты тестирования одной из первых моделей, которые мы и приведем ниже. Для этого была собрана схема, включающая оба устройства в один контур последовательно со счетчиками тепла С1 и С2 для каждого из них и накопительным баком 1 объемом 1000л. При этом параболический концентратор 4 и коллектор 3 были размещены рядом, на расстоянии нескольких метров, не затеняя друг друга и не попадая в тени от окружающих предметов в течение всего теста (см. схему ниже).

На схеме также показаны насос 2, обеспечивавший постоянную циркуляцию воды по замкнутому контуру, измерители температур на входах и выходах коллектора Т1 и Т2 и концентратора Т3 и Т4 соответственно.

В качестве солнечного концентратора использовался ПСК-5 апертурой в 6,5 кв.м, а коллектора Enersun-20 с 20 вакуумными трубками и паспортной площадью 3,86 кв.м. (в 1,7 раза меньшей).

Схема тестирования концентратора и коллектора.

Схема сравнения параболоцилиндрического солнечного концентратора и коллектора
Счетчики тепла С1 и С2 позволяли измерять как мгновенную мощность нагрева воды концентратором и коллектором, так и интегрально всю полученную за время измерений энергию, переданную воде каждым устройством. Также производились измерения температуры окружающего воздуха при каждом снятии показателей. Место проведения испытаний ранним утром оказывается затененным соседним зданием, поэтому работа велась только с 7.30 и за 11 часов до 18.30 было произведено 19 измерений. Их результаты сведены в нижеследующую таблицу :

Результаты измерений

Для наглядности мы свели данные из таблицы в пару графиков ниже.

Зависимость мощности, передаваемой воде параболическим концентратором ПСК (синяя кривая) и вакуумным коллектором (красная) от времени с начала измерений, 7.30 утра (последние две колонки таблицы). Здесь необходимо отметить, что исходная температура воды в накопительном баке была 25 градусов Цельсия из-за разных тренировочно-калибровочных тестов накануне. Этим объясняются отрицательные значения мощности коллектора в начале и конце теста, ведь температура окружающего воздуха была, соответственно, 5 и 11 градусов. Так что слабое и "косое" утреннее и близкое к вечернему солнце просто не могло компенсировать потери тепла в 20 вакуумных трубках коллектора в это время.

Из графика видно, что зеркальный концентратор заметно раньше начинает нагревать воду, но еще и намного дольше продолжает ее греть по сравнению с коллектором, на несколько часов увеличивая время сбора энергии. На единицу площади апертуры мощность концентратора оказалась примерно вдвое выше мощности коллектора.

Графики зависимости мощности параболоцилиндрического солнечного концентратора и коллектора от времени
Следующий график представляет зависимость полной (интегральной) тепловой энергии в кВт⋅ч, переданной воде параболическим концентратором (синяя кривая) и вакуумным коллектором (красная), причем желтая показывает зависимость от времени температуры окружающего воздуха в процессе измерений. Интересно отметить, что после начала вечернего падения температуры воздуха (после 17.00 или 570минут на графике) коллектор фактически перестал работать (красная кривая перестала расти), при этом концентратор успел за оставшиеся 1,5 часа измерений добавить еще 4кВт⋅ч, хотя и снизив темп. Таким образом, параболический зеркальный концентратор даже в неполный день оказался как минимум вдвое более эффективным при нагреве воды.

Графики зависимости полной энергии, переданной воде параболоцилиндрическим солнечным концентратором и коллектором от времени
Резюмируя результаты сравнительных испытаний солнечного концентратора и коллектора для нагрева воды, можно сделать следующие выводы:

1
Параболический солнечный концентратор с гелиостатом начинает греть воду на час-полтора раньше и перестает греть на пару часов позже, чем коллектор.
2
Зеркальный солнечный концентратор во много раз менее инерционен, чем коллектор за счет большего объема теплоносителя, остающегося и остывающего в нем за ночь.
3
Общий выход энергии с квадратного метра апертуры параболоцилиндрического концентратора по крайней мере вдвое превышает аналогичную характеристику коллектора.
Автор: Анатолий Лазаренко
Последние изменения 13.04.2021
Украина, г. Харьков
проспект Гагарина, 98, оф. 406
100% альтернатива промышленному водонагреву
© SEL Copyrighted 2019-2021
Made on
Tilda