Бақылау сұрақтары:

1. Күнмен жылыту жүйелерінің түрлері және оның негізгі элементтері.

2. Енжарлы (пассивті) және ынталы (активті) жүйелердің ерекшілігі қандай?

3. Ынталы гелиожүйелер қандай белгілері бойынша жіктеледі?

4. Бір айналмалы-контурлы жылыту жүйелерінің пайдалану мерзімі.

5. Екі айналмалы-контурлы жылыту жүйелерінің пайдалану мерзімі.

6. Бір және екі айналмалы-контурлы жүйелердің артықшылықтары мен кемшіліктері.

7. Бір және екі айналмалы-контурлы жылыту жүйелерінің жұмыс істеу тәртібі.

6- ДӘРІС

Тақырып: Күн қондырғыларының негізгі элементтері, жұмыс істеу тәртібі және құрылымы

Жоспар:

Күн қондырғыларының негізгі элементтері, жұмыс істеу тәртібі

Жазық және шоғырландырғыш (фокустағыш) күн коллекторлары.

Күн коллекторының түрлері және құрылымы

Жазық және шоғырландырғыш (фокустағыш) күн коллекторлары

Күн коллекторында күн энергиясының көмегі арқылы жылу тасымалдағыш денені, суды немесе ауаны және басқа қандай да бір денені қыздыру іске асырылады.

Күн коллекторларының түрлері:

– жазық;

– шоғырландырғыш (фокустаушы немесе концентратор)

Жазық күн коллекторларында күн энергиясы тікелей жұтылады, ал шоғырландырғыш (фокустағыш), коллекторларда түскен радиация ағынының тығыздығын арттыра отырып, жылу тасымалдағыш денені қыздыру әрекеті іске асады [1, 7, 11, 36].

Жазық күн коллекторлары

Төменгі температуралы гелиоқұрылғыларда кеңінен таралған коллектордың түрі – жазық күн коллекторы болып табылады.

Жазық күн коллекторлары (7.1-сурет) әйнек немесе мөлдір пластик жамылғыдан (бір, екі, үш қабатты), бір жағы қара түске боялып күнге қаратылған су жүретін арнасы бар жылу қабылдағыш беттен (панелден), оқшаулағыш (изоляциядан) материалдан және қораптан тұрады.

7.1-сурет. Жазық күн коллекторы:1 – күн сәулесі; 2 – әйнек жамылғы; 3 – сыртқы қорабы; 4 – жылу қабылдайтын бет; 5 – жылу оқшаулағышы; 6 – тығыздықтаушы.

Коллектордың қорабы (корпусы) мырышталған темірден, алюминийден, ағаштан, пластамассадан дайындалуы мүмкін.

Жылу оқшаулағыш (изоляциясы) ретінде әртүрлі материалдар: минералды вата, пенополиуретан және т.б. қолданылады.

Күн радиациясының әсерінен коллектордың жылу қабылдайтын бетті-панелдері қоршаған ортаның температурасынан артып 70-80⁰С температураға дейін қызады, бұл беттің (панелдің) қоршаған ортаға конвекциялық жылу берілісін және оның аспан астына өзінің сәуле шығаруының артуына әкеледі [7,11,33].

Жылу қабылдайтын бет (панелдің) қоршаған кеңістікке жылулық шығындарды кеміту жылу қабылдағыштың төменгі бетін жабатын жылу оқшаулағыш (изоляциясын) және сонымен қатар жылу қабылдайтын бет-панельдерден қандай да бір қашықтыққа орналасқан жарыққа мөлдір дене-әйнек қолдану арқылы іске асады. Барлық аталған элементтер қорапқа (корпусқа) орнатылады және әйнектің мөлдір бетін тығыздау іске асады (7.1-сурет).

Жылу тасымалдағыштың жоғары температураларына қол жеткізу үшін жылу қабылдағыштың бетін күннің қысқа толқынды сәулесін белсенді түрде жұтатын (қара никель, қара хром, алюминийдегі хром оксиді, мыстағы мыс оксиді) және оның өзінің меншікті жылулық шығындарын төмендететін спектрлік-таңдалмалы қабаттармен жабады.

Жазық коллекторлардың сипаттамаларын жақсартатын басқа тәсілдердің бірі жылу қабылдайтын бет-панель мен мөлдір әйнектің арасында жылу шығындарын болдырмау үшін ваккум жасау арқылы іске асырылады (төртінші буынды күн коллекторлары).

Жазық күн коллекторларының әртүрлі құрылымдары (конструкциялары) бар.

Неғұрлым кеңінен қолданылатын коллекторлардың құрылымы 7.1-суретте көрсетілген. Беттігі түтік тәріздес коллектордағы күн сәулесін жұтқыш есебінде сұйық жылу тасымалдағыш ретінде металл бетке үстіңгі, астыңғы жағынан немесе бір жазықтықта дәнекерленген және бір-бірінен 50-150 мм қашықтықта тік төртбұрышты арналармен орналасқан диаметрлері 12-15 мм диаметрлі параллель түтіктер қолданылады.

Көбінесе бетік-түтік және алюминийден болатқа штампталған бет-панель түрлі екі түрдегі жылу қабылдағыш бет-панелдер қолданылады. Беттік-түтік тәріздес құрылым (конструкция) әртүрлі қималы түтіктер дәнекерленетін металл беттен тұрады 7.2-сурет.

Күн беттік-абсорберлері іс жүзінде жылу шығындарын болдырмайды. Оның бетіне түсетін күн радиациясының тек 5-10%-ы ғана жамылғының түсіне және сапасына тәуелді шағылады.

7.2-сурет. Жазық коллекторлардың жылу қабылдайтын беттерінің сызбанұсқасы: а) беттегі түтік; б) гофрланған бет; в) штампталған бет; г) төрбұрыш арналармен дәнекеленген бет

Коллекторлардың басқа түрлерімен салыстырғанда жазық коллектордың айтарлықтай артықшылықтарының біріне тура түскен (сәулелік) күн энергиясын да, сонымен қатар шашыраған күн энергиясын да ұстайтындығы.

Шоғырландырғыш (фокустағыш, концентратор) күн қондырғылары

Шоғырландырғыш гелиоколлекторлардың пішіндері айна тәріздес өңделген металдан жасалған параболоцилиндр, сфералық немесе параболалық айна түрінде болып келеді. Оның жылу қабылдағыш элементі қондырғының фокусында орналасады. Жылу тасымалдағыш дене ретінде суды немесе қатпайтын сұйықты қолданады.

Фокустаушы коллекторларда қолданылатын шоғырландырғыштардың (концентраторлардың) кейбір пішіндері 7.3-суретте көрсетілген

7.3-сурет. Күн шоғырландырғыштарының (концентраторларының) пішіндері: а) параболоцилиндрлік концентратор; б) параболоидты концентратор; в) Френельдің жазық-сызықты линзасы

Парабола цилиндрлі шоғырландырғыш (концентратор)

Парабола цилиндрлі айналық концентратор күн сәулесін бір сызық бойына шоғырландырады, соның салдарынан, одан ондық одан да жоғары бірнеше жүздік шоғырлағыш еселігін қамтамасыз етуі мүмкін (шағылдырғыш айналардың түрлеріне сәйкес) [9, 25, 33, 36].

Параболацилиндрдің сызықтық фокусында жылу тасымалдағышы түтік-құбыр болады, ондағы сұйықтың температурасын 300-390⁰С дейін көтеруге болады, ысыған су жылулық аккумуляторға беріледі, одан ары қарай тұтынушыларға тасымалданады.

Параболацилиндрлі айналық концентраторды оның осі бойынша солтүстік-оңтүстікке бағдарлайды және бағдарлағыш датчиктің көмегі арқылы күнді бағдарлай қозғалады. 7.4-суретте өндірістік параболацилиндрлік шоғырландырғыш (концентратор) көрсетілген.

7.4-сурет. Өндірістік парабола цилиндрлік шоғырландырғыш (концентратор) 1 – күн сәулесі; 2 – жылу қабылдайтын құбыр; 3 – айна; 4 – бақылау жүйесі

Параболоид шоғырландырғыш (концентратор) – параболоид пішіндес болып келеді. Параболалық концентратор күнді бағдарлағанда екі координата бойынша басқарылады. Күн сәулесінің энергиясы параболоид шоғырландырғышының фокусында кішігірім ауданға шоғырланады.

Айналар жуықтап алғанда оған түсетін күн энергиясының 92%-ын шағылдырады. Параболоид шоғырландырғыштың фокусында ұстап тұрғыш (кронштейнде) жылу қабылдағыш бет (жылу өндіретін) немесе фотоэлектрлік элементтер (электр энергиясын өндіретін) бекітіледі.

7.5-сурет өндірістік параболоид тәріздес шоғырландырғыш (концентратор) көрсетілген.

7.5-сурет. Өндірістік параболоид тәріздес шоғырландырғыш (концентратор): 1 – күн сәулесі; 2 – жылу қабылдайтын құбыр (қазандық); 3 – айна ; 4 – бақылау жүйесі; 5 – құбыр

Френель линзалы шоғырландырғыш (концентратор)

Френель линзасы – әдеттегі линзалар тәрізді сфералық немесе басқа беттермен тегістелген (шлейфтелген) әйнектің тұтас бөлігінен тұрады және қимасы арнайы пішінді призма қабаттарынан және бір-біріне беттескен сақиналардан тұрады. Іс жүзінде кейбір гелиоқондырғыларында Френель линзалары бар жазық күн коллекторлары да пайдаланылады [1, 7, 11, 33].

7.6-сурет. Френель линзалы шоғырландырғыш (концентратор).

1 – тісті қималы Френель линзасы; 2 – жылу тасымалдағыш құбыр; 3 – оқшаулағыш материал

Линзаның шоғырландырғыш (концентрациялау) дәрежесі оның диаметрінің фокустық қашықтығының қатынасына пропорционал, сондықтан бірлік линза көмегімен шоғырландырғыш қабілеті жоғарғы дәрежесіне қол жеткізу әдеттегі қысқа фокусты линзаларды әзірлеудің дәлдігінің қиындығымен шектеледі. Линзаның шоғырландырғыш (концентрациялау) дәрежесі оның диаметрінің фокустық қашықтығының қатынасына пропорционал, сондықтан бірлік линза көмегімен шоғырландырғыш қабілеті жоғары дәрежесіне қол жеткізу әдеттегі қысқа фокусты линзаларды әзірлеудің дәлдігінің қиындығымен шектеледі.

Осылайша құрылған, әрбір сегмент күн радиациясын орталық қабылдағышта фокустайтындай көп линзалы жүйені құру шоғырландырғыш жүйені дайындау технологиясын жеңілдетеді, осының өзі Френель линзаларын жасауда және құруда қолданылды /7, 10/.

Френель линзаларының артықшылығы радиация ағынына перпендикуляр бағыттағы оның қалыңдығының үлкен болмауы (5-7 мм-ға дейін) (7.6-суретті қара). Френель линзалары бар күн коллекторларын неғұрлым жоғары көрсеткіштерін күнді бақылау жүйелерін ұйымдастырғанда байқатады, әйткенмен жылу қабылдағыштың температуралық деңгейіне талаптар қатаң болмағанда бақылайтын жүйені қолданбауға да болады. Френель линзалары вакуумделген түтікті коллекторлармен біріктіріле отырып қолданылуы мүмкін. Дөңгелек линзалар фотоэлектрлік түрлендіргішті жүйелерде аздаған шоғырландырғыш (концентрациялар) үшін де жарамды.

Түтікті вакуумдалған күн коллекторы

Вакуумды күн коллекторларының 2 негізгі түрі бар – ішкі кеңістігі жылу тасымалдағышпен толтырылған және жылу түтіктерімен жабдықталған түрі бар.

Суға тікелей жылу беретін вакуумды коллектор

Вакуумды түтіктер белгілі бір бұрышпен орналасқан және жылу жинақтаушы бакпен жалғастырылған. Одан жылу алмастырғыш айналмалы (контурының) суы тікелей түтікке ағады, қызады және кері қайтады.

7.7-сурет. Түтікті вакуумдалған күн коллекторы

Дәстүрлі жазық күн коллекторлары жылы климатты аймақтарда қолдану үшін жоспарланған. Олар қолайсыз суық, бұлтты және желді күндерде тиімділігін күрт жоғалтады. Бұдан өзге, ауа райына байланысты туындаған шықталу (конденсация) мен ылғалдылық ішкі материалдардың мезгілінен бұрын тозуына өз кезегінде жүйенің пайдалану сапаларына және оның бүлінуіне әкеледі. Бұл кемшіліктерді вакуумдалған коллекторларды қолдану арқылы жоюға болады [24,19].

Вакуумды коллекторлар суды тұрмыстық қажеттіліктер үшін температурасы неғұрлым жоғары су қажет жерлерде қолданады. Күн радиациясы сыртқы әйнек түтік арқылы өтеді, түтік-жұтқышқа келеді. Алынған жылу түтікпен ағатын сұйыққа беріледі.

Коллектор әрқайсысына селективті жамылғылы түтікті жұтқыш бекітілген олар бірнеше қатарлы параллель әйнек түтіктерден тұрады. Ысыған сұйық жылу алмастырғыш арқылы айналымды (циркуляцияланады) және бак-жылу жинақтаушыдағы суға жылуын береді.

Вакуумдалған коллекторлар модулді, яғни түтіктерді ыстық суға деген қажеттілікке қарай қажетінше алып немесе қосуға болады. Осы түрдегі коллекторларды әзірлегенде түтіктердің арасындағы кеңістіктен ауа сорылады және вакуум қалыптасады. Осының арқасында ортадағы кеңістікте ауаның жылу өткізгіштігі және конвекция туғызған жылу шығындары болмайды.

Әйнек түтіктегі вакуум-коллектор үшін ең жақсы жылу оқшаулағыш (изоляцияларының) ішіндегі ең жақсысы ол жылу шығындарын төмендетеді, жұтқышты және жылу кетіретін түтіктерді қолайсыз сыртқы әсерлерден қорғайды.

Вакуумдалған коллекторлар

Кейбір жұтқыш-түтіктерде, тағы бір үшінші әйнек түтік өтеді; жылу беретін қабырғалардың және сұйықтықты түтіктердің басқа да құрылымы (конструкциялары) бар. Осылайша, суды сақтау үшін жекелеген бакқа қажеттілікті болдырмай әрбір түтігіне суды сыйдыратын ваккумды коллектордың түрлері кездеседі. Коллекторда күн радиациясын қосымша шоғырландыру (концентрациялайтын) вакуумды түтіктердің артына шағылдырғыш-рефлекторларды орнатуға болады.

Вакуумды коллекторлы жүйелер

Аталған жүйеде жылу тасымалдағыштың енжар (пассив) айналмалы (циркуляциясы) жұмыс тәртібі қолданылады. Коллектордың жылу аккумуляциялайтын жылу жүру бағыты және түтіктері бірегей гидравликалық контурын құрайды. Су коллектор түіктерінде қызып бакқа көтеріледі, ал суық су бактан түтікке түседі. Осылайша, жылу аккуммуляциялайтын бакта су қызады. Суық су біраз ғана қысымның әсерінен бактың төменгі бөлігіне түседі, ал ыстық су бактың жоғары бөлігенен төмен ағады. Жүйедегі қысым 1-2 атмосферадан артпауы керек. Су, мысалы, кішігірім ашық қысымды бактан берілуі мүмкін.

Коллектордың ішіне біріктірілген (контактілік) бетті пластина және жылу өткізгіш білік енгізілген. Бұл түтік төменгі температураға төзімді және -50⁰С-ге дейін температурада жұмыс істеуге қабілеттілігін жоғалтпайды.

Мұндай коллекторлар тікелей түскен және шашыраған күн радиациясымен де жұмыс істейді. Бұл ерекшелік вакуумның қасиетімен бірге сырттағы жылу шығындарын азайтады және бұл коллекторларды суық, күңгірт қыс жағдайында тиімді болып табылады. Екіншіден, вакуумдық түтіктің дөңгелек пішінінің салдарынан күн сәулесі күннің басым бөлігінде жұтқышқа перпендикуляр түседі.

Күн коллекторларының тиімділігін арттыратын тәсілдер

Күн жылу коллекторларының тиімділігін арттыратын, мысалы, жұтатын бет-панельде шағылдыратын бетті, селективті жамылғыны, ұяшықты құрылғыны, жылу тұзақтарын қолдануға байланысты әртүрлі тәсілдер бар [25].

7.12-суретте қазіргі уақытта қолданылатын күн коллекторларының құрылымдары (конструкциялары) көрсетілген.

Шағылдырғыш беттер – 7.12 б, в, г-сурет күн сәулесінің шоғырландырғыш (концентрациясын) арттыруды және жылу шығындарын азайтуға ықпал етеді. Шағылдырғыш беттің пішіні жазық, гофрирленген, қисық болуы мүмкін.

Вакуумдалған коллекторлар 7.12 д-сурет, әсіресе жоғары температураларда жылу шығындарын азайтуды қамтамасыз етеді, 9 диффузды шағылдырғыш бет 3 түтікке түсетін энергия шамасын арттырады. Вакуумды 2 әйнек түіктің ішкі жағында болады, 3-түтіктер әйнектен, металдан, полимер материалдардан жасалады. 2-түтіктегі ауаның қысымы 0,001-0,1 Па құрайды.

Жылу құбырлары – 7.12 е-суретте соңғы уақыттарда күн коллекторларында жылу түтігі қағидасын қолдануға деген қызығушылық туындауда. Жылу тасымалдағыш ретінде төменгі қайнайтын сұйықтарды қолдана отырып, жылуды тек күн радиациясы есебінен ғана емес қоршаған орта есебінен алу мүмкін. Бұл жағдайда жылу шығындарын азайту есебінен пайдалы әсер коэффициенті артады.

Полимер материалдарды қолдану – 7.12 ж, з, г-суреттер коллектордың салмағын төмендетуге, әзірлеу технологиясын, жинауды, пайдалану және құрастыру жұмыстарын жеңілдетуге мүмкіндік береді.

7.12-сурет. Күн коллекторларының құрылымдары:

1 – қорабы (корпус); 2 – мөлдір жамылғы; фокуста 3 – жұтқыш түтікті; 4 – оқшаулағыш; 5 – оқшаулағыш беттік-пластина; 6 – айналатын білік; 7 – жылу алмастырғыш; 8 – жылу тасымалдағыш; 9 – шағылдырғыш бет; 10 – сильфонды тіректер; 11 – буландырғыш.

Жылу бак-аккумуляторлары

Сыйымдылық типті жылу аккумуляторлары

Күн энергиясымен жылу өндіру жүйесін бірқалыпты жұмыс істеу қабілетін қамтамасыз ету жүйесінде жылу аккумуляторларының алатын орны маңызды. Себебі күн радиациясының ерекшелігі күн, ай, жыл бойы оның түсуінің периодтылығы және объектінің жылу қабылдауының максимумы мен жылу берілудің максимумының сәйкес келмеуі болып табылады [25].

Бак-аккумулятордың көлемін таңдау жүйенің басқа сипаттамаларымен тікелей байланысты [19, 36]. Жылуға арналған құрылғылар ережеге сай, күн коллекторларының айтарлықтай аудандарына ие (4-тен 8 м²/адам және климаттық жағдайларға байланысты одан да жоғары). Суретте (7.15-сурет) жылу энергиясын аккумуляцилауға арналған кеңінен таралған құрылғылар келтірілген.

Жазғы уақытта бұл құрылғыларда жылу өндіру нысанның жүктемесінен артпайды, сондықтан аккумуляциялаушы құрылғылар қажет.

Пайдалану жүйелерінде әдетте күн коллекторының 1м² бак-аккумулятордың 50-ден 120 л-не дейінгі көлемі келеді.

7.15-сурет. Сулы (а) және майда тасты (б) сыйымдылықты жылу аккумуляторлары: 1 – жылу алмастырғыш; 2 – суық су; 3 – ысық су; 4 – жылу сақтайтын бак; 5 – майда тас қабаты; 6 – тор; 7,8 – ауа кіретін (шығару) орын.

Аккумуляторлар жұмыстық заттың жылу сыйымдылығы есебінен және де әртүрлі материалдардың фазалық ауысуларының жылуы есебінен де жұмыс істеуі мүмкін.

Әйткенмен тәжірибеде қарапайымдылығы, сенімділігі және бағасының арзандығы жөнінен жұмыстық зат су немесе ауа болатын бірінші типті аккумуляторлар кеңінен тараған. [1,7].Сулы аккумуляторлар әдетте жылу оқшаулағыш (изоляциялы) қабаты бар цилиндр болат резервуар түрінде болады. Көбінесе оларды үйдің астыңғы бөлігінде орнатады.