Доклад 8: Еще один дешевый солнечный коллектор для зеркальных концентраторов

Этот коллектор в 5-8 раз дешевле, чем обычные плоские коллекторы: 30 EUR за кв. м активной поверхности (плюс 6-8 EUR на стоимость креплений коллектора и расходов на его установку) против 120-250 EUR  (плюс 20-50 EUR) 

Однако мой коллектор имеет еще одно преимущество: он может работать в солнечных усилителях (параболоцилиндрических концентраторах), где мощность потока радиации в 3-10 раз больше чем обычный солнечный свет

Этот коллектор совпадает с коллектором из Доклада 7 на 70-90 %. Его основное отличие – новый коллектор может работать в широком диапазоне вертикальных углов (потому что его трубы закреплены на корпусе жестко). Поэтому он может работать не только с усилителем из Доклада 5, но и с усилителями из Докладов 2, 3 и другими

Я изготовил новый коллектор в начале января 2012 и эксплуатировал его на улице до 20 марта, когда я сделал тест на его разрушение большой солнечной радиацией. Эти эксперименты проводились в г. Миргород (50 град сев. широты) 

 

1) Конструкция

Мой коллектор имеет (на рисунке – вид сбоку):

— Внешний корпус из пенополистирола. Задняя стенка 1 делается из листов толщиной 2 см. Стенки 2 и 3 – толщиной 3 см. Все склеивается полиуретановой пеной

— Внутренняя теплоизоляция из слоя 4 стекловаты  (толщина 5 см) c алюминиевой фольгой 5

— Стальные трубы 6. Имеют тонкую стенку – 1 мм (я использовал четыре трубы с наружным диаметром 22 мм и внутренним – 20 мм). Оцинкованные (как минимум внутри). Наружность труб покрашена черной краской

— Прозрачная полиэтиленовая пленка 7

Коллектор использует три основных механизма по передаче тепла от солнца 8 к воде, которая двигается внутри труб 6:

1) 50-70 % тепла поступает в коллектор от прямого попадания солнечной радиации на стенки труб 6

2) Часть солнечной радиации проходит между соседними трубами (трубы располагаются не вплотную, а на расстоянии 6-10 мм), попадает на фольгу 5, отражается и попадает на стенки труб 6

3) Часть радиации попадает в искривления 9. Их фольга отражает радиацию на стенки труб 6   

Коллектор имеет также:

— Стальные стержни 10 диаметром 5 мм. Это опора для труб 6. Стержень вставляется в отверстия в пенополистироле стенок 2, 3. Нижний торец стержня 10 опирается на кусок доски, который приклеен к стенке 2 полиуретановой пеной

— Каждый стержень 10 имеет проволоку из нержавеющей стали диаметром до 1 мм. Эта проволока привязывает каждую из труб 6 к стержню 10. Проволока фиксируется хомутом в верхней части стержня 10   

— Деревянные планки 11 (сечение 20 х 20) и 12 (высота 20 мм и ширина 15 мм). Пленка 7 крепится на них скобами строительного степлера с интервалом скоб 30-50 см. Планки крепятся на пенополистирол полиуретановой пеной. Дождевые потоки нужно отвести от внутренности коллектора. Поэтому скобы крепят пленку 7 на планке 12 сзади, а на планке 11 – спереди. Пленка 7 может запотевать изнутри коллектора. Поэтому скобы на планке 11 располагаются не очень часто: это есть небольшая вентиляция и очень эффективный метод против запотеваний

— Скобы 13 из тонкой проволоки (я делал их разгибанием канцелярских скрепок калибра «28 мм») в форме латинской буквы «С». Они фиксируют край фольги 5 на расстоянии 50 мм от стенок 2 и 3. Интервал их установки – 15-25 см (Втыкаются в пенополистирол)

— Алюминиевая фольга 14 (я использовал толщину 14 мкм). Если коллектор используется обычным способом (т.е. без усилителя), то фольга 14 не нужна. Коллектор нуждается в фольге 14 при работе с усилителем; пенополистирол стенок 2,3 без фольги 14 может расплавится сильной радиацией   

— Куски прямой закаленной проволоки 15 длиной 13 см (между трубами 6 и фольгой 5). Они красятся белой краской, которая приклеивает их к фольге 5. Их основная функция – формировать искривления 9 

Для крепления коллектора на деревянных столбах 16:

— деревянная планка 17 высотой 20 мм и шириной 40 мм. Она прикручивается к столбу 16 шурупами

— кусок доски 18 длиной 80-150 мм. Эта длина определяет угол крепления коллектора на столбе 16. Кусок 18 крепится к стенке 2 полиуретановой пеной. Столб 16 крепится к коллектору двумя шурупами 19 и 20 

— планка 21 высотой 20 мм и шириной 30 мм и два шурупа: 22 (из планки 21 в планку 12) и 23 (из планки 17 в планку 21)

— участки планки 12 (длиной 30-60 см около шурупов 22) заменены на сечение шириной 30 мм (чтобы шуруп 22 мог быть закручен в нее)

Гидравлическое соединение (коллектор с другим коллектором или коллектор с трубами подвода-отвода воды) делается по следующим принципам:

— концы труб 6 снабжаются черными резиновыми шлангами (ПВХ-шланг использовать нельзя). Эти шланги выдерживают высокую температуру и могут выполнять функцию труб 6, т.е. хорошо поглощают радиацию 

— шланг надевается на трубу на 1,5-3 см и фиксируется одним или двумя стальными хомутами

 

2) Стоимость

Коллектор с активной площадью 1,13 кв. метра (его ширина 6,3 метров; его активная высота 18 см; это расстояние между фольгами 5 около пленки 7) требует следующих материалов, считая гидравлическое соединение соседних коллекторов, но не считая столбов 16 (Цены – средний опт, март 2012, Украина, без НДС):

 

Кол-во

Цена

Итого

Трубы 7 (оцинкованная, наружный D = 22 мм, стенка = 1 мм), 4 шт х 5,95 м х 0,53 кг / м

12,6 кг

0,7 Е / кг

8,8 Е

Черная краска для труб 6 (1,8 кв. м поверхности покраски)

0,5 кг

1,4 Е / кг

0,7 Е

4 шт. комплектов «резиновый шланг 40 см + 2 хомута»

4 шт.

0,5 Е

2,0 Е

Пенополистирольные листы толщиной 2 см (для стенки 1)

1,6 кв. м

0,4 E / кв. м

0,6 E

Пенополистирольные листы толщиной 3 см (для стенок 2,3)

1,5 кв. м

0,6 E / кв. м

0,9 E

Фольгированная стекловата 4

2,1 кв. м

1,2 Е / кв. м

2,5 Е

Пленка 7 (ширина 60 см)

3,8 кв. м

0,15 Е / кв. м

0,6 Е

Фольга 14

1,1 кв. м

0,15 Е / кв. м

0,2 Е

Деревянные планки 11 и 12 (сечение 20 х 20, 15 х 20, 20 х 30)

0,005 куб. м

120 E / куб. м

0,6 E

Проволока 15 (сечение 1,5 мм)

6,5 м

0,02 Е / м

0,1 Е

Стержни 10 (сталь диаметром 5 мм)

1,2 м

0,12 Е / м

0,1 Е

3 шт. комплектов «планки 17, 21 + доска 18 + 6 шт. шурупов»

3 шт.

0,15 E

0,5 E

Полиуретановая пена, проволока и хомуты для стержней 10,  скобы 13,  клей для фольги 14

 

 

1,1 E

С У М М А

 

 

18,7 E

Расход времени на изготовление коллектора (без планок 17, 21 и установки пленки 8) – 48 человеко-минут, если имеются несколько самодельных приспособлений

Расход времени на изготовление планок 17, 21, их установку на столб 16,  установку коллектора на него, гидравлическое соединение труб 6, установку пленки 8, настройку коллектора для работы в усилителе – 27 человеко-минут

Таким образом:

— Стоимость материалов – 18,7 EUR на коллектор, т.е. 16,5 EUR за кв. м активной поверхности

— Затраты времени (48 мин + 27 мин =) 75 человеко-минут на коллектор. Если ставка зарплаты будет 15 EUR / час (2600 EUR в месяц), то эти расходы будут 18,8 EUR, т.е. 16,6 EUR за кв. м активной поверхности

Таким образом, стоимость кв. метра активной поверхности коллектора (включая крепление и установку, без изготовления и установки деревянного столба 16) – 33 EUR (= 16,5 EUR + 16,6 EUR)

 

3) Свойства

Мой коллектор имел активную ширину 2,6 метра и высоту 18 см. Работал 2 месяца в усилителе под солнечной радиацией до 5-7 квт / кв. м в среднем и до 7-10 квт / кв. м в отдельных точках (для сравнения: обычная радиация от солнца – 0,6-0,9 квт / кв. м)

Максимальная производительность коллектора была 10 марта 2012 с 12.22 до 13.00 по зимнему киевскому времени: он нагрел 293 литр воды за 38 минут с +43,3 град до +47,1 град. Это есть мощность нагрева – 2051 вт, т.е. 4382 вт / кв. м активной поверхности коллектора. При температуре окружающего воздуха – минус 2 град   

16 марта я исследовал работу коллектора без пленки 7 (время – зимнее, температура воздуха – минус 3 град):

— С 10.03 до 10.43 коллектор работал с пленкой 7. Он нагрел 329 литр воды с 44,15 град до 46,95 град. Это есть мощность 1612 Вт

— Затем я снял пленку и с 10.43 до 11.26 коллектор работал без пленки 7. Нагрев 329 литр – с 46,95 град до 49,1 град. Мощность – 1152 Вт

— Затем я установил пленку и с 11.26 до 12.19 коллектор работал с пленкой 7. Нагрев 329 литр – с 49,1 град до 53,0 град. Мощность – 1695 Вт

Таким образом, удаление пленки 7 уменьшает производительность коллектора до 0,697. Это при разнице температур воды и воздуха – 51 град

 

4) Приложение: тесты на разрушение коллектора радиацией

Эта тема важна из-за следующего. Если коллектор освободится от воды во время солнца (например из-за ошибки автоматики или отключения электричества), то его температура увеличится до 200-400 градусов и может его разрушить

Я провел два таких теста (19 и 20 марта). Шесть термопар были установлены в разные точки коллектора для замера температуры

19 марта было несильное солнце (люксометр показывал 65-75 вместо 90-95 при чистом небе) и окружающая температура +11 град. Это есть аналог середины ноября. В 12.39 я отключил коллектор и слил с него воду. Кроме этого:

— Вначале скорость роста температуры: около труб – до 15 град в мин, между трубами и пленкой – до 10 град в мин. В 12.46 температура достигла: около труб – до +182, под пленкой – до +122. Максимум был в 13.02: около труб – до +224, под пленкой – до +136     

— В 12.45 из труб пошел пар и шел примерно до 13.50. Источник пара – водяная пленка на стенках и вода из каких-то углублений. Это явление может быть использовано для дополнительной автоматики: давление пара может включить насос для подачи воды в коллекторы

— В 13.15 я заметил прогорания пленки 7 около скоб 13 (они начались раньше). Прогорала почти каждая скоба 13 в верхнем ряду до отверстия диаметром до 10 мм. Нижний ряд скоб не повреждал пленку 

— В 13.45 я заметил расплавление пенополистирола около верхнего конца стержней 10. Это явление вызвало уход труб от фольги 5 на 1-3 см

— В 14.28 перегрев был закончен. Я закрыл коллектор от солнца и дал ему остыть несколько часов. После этого я включил коллектор. Коллектор работал без проблем и без протеканий воды

20 марта было хорошее солнце (люксометр показывал 88-91), окружающая температура +5 град и заметный западный ветер. Это типичная середина марта. В 10.57 я отключил коллектор и слил с него воду. Кроме этого:

— Максимум температуры был в 12.25: около труб – до +293, под пленкой – до +182 (Я думаю, что температура внутри труб достигала 350-400 град)

— Пар шел из коллектора до 11.40

— В 11.50 я заметил белый налет на пленке. Я думаю, что это горела алкидная эмаль на одной из труб 6 (Остальные трубы были покрашены высокотемпературной краской). Я также чувствовал запах горения. К 12.39 белый налет покрыл до 90 % площади пленки (Позже я пробовал его смыть: вода не справлялась, моющие средства справились). Это явление может быть использовано для защиты коллектора следующим образом. Что-то может быть положено в коллектор и при повышении температуры оно даст плотный налет на пленке 7, который защитит коллектор от перегрева. Однако пленка 7 должна быть сменена после этого 

— После 12.20 появились большие разрывы в пленке. Это ветер прижимал размягченную пленку к горячим трубам и появлялись дырки высотой в 2-5 сантиметров и шириной в десятки сантиметров. Это явление может быть использовано для защиты коллектора от перегрева: разгерметизация пленки уменьшает температуру в коллекторе. Причем, пленка может быть сменена не сразу: коллектор может продолжать работать, хотя и с меньшим КПД  

— Кроме этого, я заметил дырки (высотой в несколько миллиметров) в пленке 7 на местах ее касаний с алюминиевой фольгой 5

— В 12.39 перегрев был закончен. Я сразу пустил воду в коллектор. Коллектор заработал без проблем и без протеканий воды. Его работа с солнцем до 14.15 показала, что производительность поврежденного коллектора – это около 85 % от нового коллектора

— Алкидная краска труб 6 сгорела до серого цвета. Высокотемпературная 450-градусная краска выдержала все

— Пенопласт вверху стержней 10 расплавился сильно. Трубы удерживались только пленкой 7