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Apr 13, 2023

真空ガラスを備えた平板ソーラーコレクターの詳細なモデリング

Data: 20 marzo 2023 Autore: Viacheslav Shemelin e Tomas Matuska Academic

日付: 2023 年 3 月 20 日

著者: Viacheslav Shemelin と Tomas Matuska

学術編集者: ストイアン・ペトレスク

ソース：ヒンダウィ語 | https://doi.org/10.1155/2017/1587592

真空ガラスを備えた平板ソーラーコレクターの理論的分析が示されています。 コレクタのさまざまな構成は、吸収体の外部エネルギーと内部エネルギーのバランスを組み合わせた詳細な理論モデルによって研究されています。 真空平板コレクタの代替品の性能特性が導出されています。 その後、選択されたバリアントについて年間エネルギー利得が評価され、最先端の真空管コレクタと比較されました。 モデリングの結果は、最適化された低放射率コーティング (放射率 0.20、日射透過率 0.85) を備えた高度な真空グレージングを使用した場合、真空管コレクタと同等かそれ以上の効率パラメータを達成できることを示しています。 この論文で紹介した設計は、FPC の適用範囲の拡大に有望であると考えられ、低温から中温レベルを必要とするアプリケーションに使用できる可能性があります。

太陽光から熱を生成するための太陽エネルギーの熱利用は、最も古いエネルギー変換方法の 1 つです。 このテクノロジーは古くから知られており、時には無意識のうちに使用されてきました。 過去 45 年間にわたって再発見され、再び使用されてきました。 現在、それは応用の準備ができていますが、この短い成長期間を経て、この分野、特に太陽熱集熱器の分野では大きな発展の可能性があります。

現在、ヨーロッパで最も広く使用されている太陽熱集熱器のタイプは、太陽熱平板集熱器 (FPC) です。 シンプルな構造、高い光効率、低コスト、安​​全な操作が主な特徴です。 ただし、FPC は一般に 40°C ～ 60°C の低温レベル向けに設計されており、これは家庭用給湯システムの場合がほとんどです。 より高い温度レベルへの移行は、FPC の適用範囲の拡大をもたらす可能性があります。 したがって、平板型太陽熱集熱器の性能向上を目的とした取り組みが継続中です。 平板型太陽光集熱器の性能は、吸収体から透明カバーを介して周囲への熱損失に大きく影響されます。 この熱損失を減らす 1 つの方法は、追加のガラス板、プラスチック フィルム、または透明な断熱材 (TIM) を使用して吸収体とカバーの間の空間を区切ることにより、吸収体とカバーの間の空間での自然対流熱伝達を減らすことです。 この熱損失を減らすもう 1 つの方法は、空気ではなく熱伝導率の低いガスを使用するか、空間を真空にすることです。

Veinberg BP と Veinberg VB [1] は、太陽光を透過するハニカム断熱材として「深く狭いメッシュ」の使用を研究しました。 さらに、Hollands [2] は、吸収体と FPC の外側ガラスカバーの間に配置される対流抑制デバイスとしてのセルラーハニカムの理論的性能特性を発表しました。 Tabor [3] は、セルラーハニカム構造の簡単な図を提示し、ハニカム断熱材をうまく使用するには、より優れた物理的特性と製造技術を備えた材料が必要であることを示しました。 その後、Rommel と Wagner [4] は、50 ～ 100 mm のポリカーボネート ハニカム層を含む FPC が 40 ～ 80°C の流体作動温度で良好に機能することを実証しました。 ケッセンティーニら。 [5] は、プラスチック透明絶縁体と 80 ～ 120°C の熱供給を目的とした低コストの過熱保護システムを備えた FPC を発表しました。 プラスチックカバーは 120°C 以上の温度で溶けやすいため、ガラスハニカムを使用すると、最高 260°C までのより高い使用温度に到達することも可能です。

Svendsen と Jensen [6] および Svendsen [7] は、吸収体とカバーの間の空隙をモノリシック シリカ エアロゲルで満たし、10 kPa まで真空にすることによってソーラー FPC 効率が大幅に向上できることを実験的に示しました。 Duan [8] は、透明カバーと吸収板の間にエアロゲル層を配置することによる前面熱損失の低減を研究し、従来のコレクタと比較してコレクタ効率が 21% 増加したことを示しました。 これらの研究は、TIM の使用により、吸収体とカバーの間の空間が対流による熱輸送を制限することで対流熱損失が大幅に低減され、FPC のより高い性能が達成されることを実証しました。 テスト結果は良好で、真空管コレクターと同等の性能が得られました。

しかし、入手可能な透明絶縁材料のほとんどは、依然として高温平板コレクタには適していません。 それらはプラスチックでできているため高温レベルに耐えられない（主にハニカムおよび毛細管材料）か、吸湿性がありコレクター内の湿度に耐えられない（エアロゲルなど）か、非常に高価である（ガラス毛細管）かのいずれかです。

Eaton と Blum の研究以来、平板コレクターで適度な真空を使用すると上部の熱損失が軽減されることが知られています [9]。 真空平板コレクタのコンセプトは商業的に実現され、市場で入手可能です。 より高い熱出力とは別に、これらのコレクタには、ケーシング内で湿気や結露の問題が発生しないため、非真空コレクタと比較して寿命が長いという利点があります。 経済的に維持できる典型的な内部圧力は 1 ～ 10 kPa です。 これは、対流損失が抑制されているにもかかわらず、ガスの熱伝導が十分に発達したままであることを意味します。

さらに、Benz と Beikircher [10] は、市販の平板コレクタに基づいてプロトタイプのコレクタを構築しました。 中温範囲で高い熱効率を実現するために、低放射選択吸収体、コレクタケーシング内の低圧クリプトン充填（5 kPa）を使用して吸収体の熱損失が低減されました。 プロトタイプのコレクターは動的にテストされ、100°C で 60% 以上の非常に高い効率を示しました。 その後、Benvenuti [11] は 300°C に達することができる FPC を発表しました。 それは、太陽を動力とするゲッターポンプによって維持される超高真空 (1.33x10-7Pa) によって可能になりました。 最新の研究に関しては、Moss と Shire [12] は、周囲温度より 140°C 高い温度で動作させた場合、従来の FPC の 25% から真空 FPC の 60 ～ 65% まで改善されることを示しています。 より最近では、シャイアら。 [13] は、真空 FPC コレクターが 50% を超える効率で最大 200°C までの熱を提供できることを強調しています。

この論文は、ほとんどの平板型太陽光集熱器で使用されている単板ガラスを、一方では低レベルの熱損失（低放射率コーティング、高真空）を示す平坦な真空ガラスに置き換えるというアイデアを示しています。 ）、一方、高い太陽エネルギー透過率を示します。 熱損失が低く（真空管集光器のレベルで）、光効率が十分に高い平板型太陽集熱器は、広く入手可能な建物外壁（住宅用、工業用）への組み込みに効果的に使用できる可能性があります。

真空ガラスは、周囲をシールした 2 枚のガラス シートで構成されています。 ガラスシートは正方格子状に配置されたピラーアレイで支持されており、シート間の空間は0.1Pa以下の圧力まで真空排気され、ガス伝導と対流を効果的に除去します。 30 年間の耐用年数の間、圧力を 0.1 Pa 未満に維持することは、技術的に大きな課題となります。 ファングら。 [14] は極端な熱サイクル試験を実施しました。

中心領域の熱伝導率が 10% 増加していることがわかり、そこから真空空間内の真空圧力が 0.1 Pa 未満の無視できるレベルから 0.16 Pa まで増加したと判断されました。 [15] は、考えられる圧力上昇の原因を調査し、理想的なプロセス条件を考慮すれば、30 年後には全圧を 0.1 Pa 未満に保つことが可能であると結論付けました。 真空の品質は断熱性能に直接関係するため、あらゆる種類の漏れや微小亀裂を避けることが重要です。

3 つの異なる熱伝達機構がガラスの全熱伝達係数 hg1-g2 に寄与します。残留ガスによる熱伝導、スペーサーによる熱伝導、真空ガラスの 2 枚のシート間の放射熱伝達です。 真空ガラスのガラスシート間の総熱伝達係数 hg1-g2 は、次のように個々の熱伝達係数を単純に加算することで近似できます [16, 17]。

ここで、P は内部圧力、σ はステファン・ボルツマン定数 (5.67x10⁻⁸W/m² x K⁴)、Tmean はガラスシートの温度 T₁ と T₂ の平均、λ はガラス柱の熱伝導率、r はガラス柱の半径、d は柱間の距離、実効エミッタンス εeff は通常次のように書かれます。

式（１）は圧力が０．１Ｐａ以下の空間、すなわち高真空の場合に成立する。

真空ガラスは、建物で使用する窓サプライヤーのポートフォリオにすでに登場しています (図 1 を参照)。 構成 3-0.2-3 mm の市販の真空ガラスは、日射の透過率 τ=62%、ガラス中心の透過率 U 値は 1.1 W/m2 x K です。真空により高レベルの断熱が提供されます。伝導と対流による熱損失を軽減します。 ただし、放射により熱損失が発生する可能性があります。 内側ガラス板の外面に low-e コーティングを使用することで、放射熱損失を最小限に抑えます。

最先端の low-e コーティングは、ほぼ建築専用に開発されています。 建物の熱的および視覚的快適性を維持するために、主に銀ベースのコーティング システムが使用され、非常に低い放射率 (0.03 未満) と高い可視透過率 (最大 0.90) を実現できます。 ただし、日射透過率 (全太陽スペクトル範囲内) が 0.60 を超えることはほとんどありません。 太陽スペクトル内の近赤外線 (NIR) に対する低放射率コーティングの反射率によって生じる低い太陽エネルギー透過率は、太陽熱収集器での使用には適していません。 ただし、最大 0.80 の値とそれに対応するより高い放射率 (0.15 ～ 0.20) は、三重ガラス用に近年開発された非常に薄い銀層、または金属酸化物を使用することで達成できます (図 2) [18]。 。 両面に外部ガラス反射防止コーティングを使用して、空気とガラスの 2 つの境界面での反射を減らすこともできます。

太陽熱コレクターの設計における真空グレージングの応用の可能性を評価するために、コレクター カバー グレージングの 3 つの異なるバリエーションについて詳細なシミュレーションが実行されました。 基準バリアント (REF) は、シンプルなソーラー低鉄ガラスです。 2 番目のバリエーション (VG1) は、コーティングを施していない 2 枚の低鉄ガラスをベースにした真空グレージングを備えています。 最後のバリアント (VG2) は、内側ガラス (位置 3) の外面に低放射率コーティングを施した高度な真空ガラスです。 コーティングの光学特性は、IR 放射率 0.2、日射透過率 0.85 です。 検討したコレクタ グレージングの構成を図 3 にグラフで示します。比較研究に使用したカバー グレージングのパラメータを表 1 に示します。

表 1 カバーグレージングの物理的特性の比較。

3.1. モデルの説明

透明カバーのさまざまなバリエーションを考慮した FPC の熱性能を分析するために、平板コレクタの詳細な理論モデルが使用されました。 詳細なモデルは、もともと Visual Basic プログラムとして開発された設計ツール KOLEKTOR 2.0 [19] に由来しています。

所定のガラスの性能を比較するために、平板コレクタは、所定の透明カバーで覆われた断熱ボックス内に配置された吸収体から構成されると考えられてきました。 吸収体とカバーの間、および吸収体とその背面絶縁体の間には空隙があり、両方とも厚さと傾斜によって定義されます。 アブソーバーは、分配パイプとライザーパイプ (長さ、距離、直径によって定義される) を備えたハープとして設計されています。 透明カバーは、次の式に従って温度に依存する熱伝導率で考慮されます。

ここで、hg₀、hg1、および hg2 は所定のカバー構造の係数であり、Tg1-g2 (°C) は平均グレージング温度です。 断熱層も温度依存性と同様に考慮されます。

平板太陽熱集熱器の詳細なモデルにより、太陽熱集熱器内の熱伝達の詳細な計算を行うことができます。 吸収体の表面から周囲へのエネルギーの流れ、および吸収体の表面から熱伝達液体へのエネルギーの流れが、コレクタ内の温度分布とともに反復ループで計算されます。 ソーラーコレクタは、モデル内の多くの詳細パラメータ、グレージングと吸収体の光学特性、ソーラーコレクタの主要コンポーネント (フレーム、吸収体、透明カバー) の熱物理的特性によって指定できます。

3.2. 基本方程式

ソーラー平板液体コレクターの数学モデルは、一次元の熱伝達バランスを解決します。 Hottel と Woertz [20]、Hottel と Whillier [21]、および Bliss [22] は、熱容量を無視し、コレクタ全体の熱損失係数の単一値を考慮するという最も単純な仮定を開発しました。 これらの仮定に基づいて、熱伝達は主に一次元であり、吸収体に垂直な方向が支配的であることを考慮して、Duffie と Beckman [23] は、定常状態の太陽熱集熱器を特徴付けるための単純化されたモデル (電気的アナロジーを使用) を開発しました。条件。 このモデルは、使用可能な熱出力の原理 Hottel-Whilleer 方程式に従って、定常状態条件下での太陽集熱器のエネルギー バランスを解きます。

この式において、Aabs は吸収体の面積、FR はコレクタの熱除去係数、τ はコレクタ カバーの日射透過率、α は吸収体の日射吸収率、Gt は総日射量、U は全体の熱損失です。コレクターの係数、Tin は入口流体温度、Tamb は周囲温度です。

コレクタの主面は、カバー外面 (f₂)、カバー内面 (f₁)、吸収体 (abs)、背面絶縁内面 (b₁)、背面フレーム外面 (b₂)、エッジ絶縁内面 (e₁)、およびエッジフレーム外面 (e₂)。 表面温度は、計算手順中にコレクタの各面に対して決定されます。 主要なコレクタ面の概略を図 4 に示します。

一般に、数学的モデルは 2 つの部分で構成されます。吸収体の外部エネルギー バランス (吸収体表面から周囲環境への熱伝達) と吸収体の内部エネルギー バランス (吸収体表面から熱伝達流体への熱伝達)。 外部と内部のエネルギーバランスは両方とも相互に依存しています。 外部バランスからの主な出力としてのコレクタ全体の熱損失係数 U は、内部バランスへの入力の 1 つです。 一方、内部バランスからの出力の 1 つである平均吸収器温度 Tabs は、外部バランスに必要な入力として使用されます。 外部バランスから開始内部バランスに結果を転送し、内部バランスからの結果が外部バランスに移されるように反復ループが導入されています。 ループは、2 つの隣接する反復ステップで計算された吸収体の温度の差が必要な最小値よりも高い限り反復されます (図 5 を参照)。

3.3. 実験的検証

このモデルは、プラハにあるチェコ工科大学のエネルギー効率の高い建物の大学センターの下で運営されている認定ソーラー研究所で、欧州規格 EN ISO 9806 に準拠したソーラーコレクターテストの枠組みで実験的に検証されています。 太陽熱コレクターは、コレクターに入る熱伝達流体 (水) の入口温度 (±0.05 K) と質量流量 (±0.002%) の一定の動作条件、および太陽熱の一定の気候条件で、定常状態の熱出力が得られるようにテストされています。日射量 (±1.4%) および周囲温度 (±0.05 K)。

瞬時効率は、総日射量（コレクタ基準面積への入射量：総面積）に対するコレクタ熱出力から計算されています。 ソーラーコレクタ効率の実験データポイントは、グラフ内の均一な不確実性バーと結合されています。 効率の不確かさの拡大と温度差の減少は、95% の信頼水準 (正規分布) でカバレッジ係数 k = 2 を考慮して、タイプ A (統計) とタイプ B (機器) の不確かさの両方からの実験データについて評価されました。

モデルによる効率特性の理論的計算は、モデルの入力として使用される実際のコレクタパラメータの不確実性の影響を受けます。 幾何学的パラメータは高い信頼性を持って容易に入手できますが、コレクタ部品の特性を定義するパラメータの数は、狭い範囲（例、吸収体およびグレージングの光学パラメータ、ほとんど±2％）、中間範囲（例、ガラスの導電率など）内では不確実であることがわかります。絶縁層はその温度と密度に依存し、±10%）、非常に広い範囲（例えば、吸収体の裏側の放射率と絶縁層またはコレクタフレームの放射率、>10%）。 したがって、理論的計算の結果は、実際のコレクタ効率値を求めることができる 2 つの境界曲線として表すことができます。

この数学的モデルは、大気ソーラーフラットプレートコレクター（高性能の選択コーティングでコーティングされた最先端の銅レーザー溶接吸収体と透明カバーとしてソーラーグレージングを備えた最高品質のソーラーコレクター）の分野で検証されています。 モデルの詳細な検証には 4 つの異なる太陽熱収集器が使用されています。 太陽熱収集器パラメータの大部分（断熱材の熱伝導率、窓ガラスの日射透過率、吸収体の放射率など）は、不確実性の範囲を減らすために実験的に測定されています。 このモデルは、傾斜、質量流量、風速、入射放射線のさまざまな値の場合でもテストされています。 モデル検証の詳細については、Shemelin と Matuska [24] を参照してください。 図 6 は、実験的に測定された効率点と理論的にモデル化された効率特性を示しています。 結果から、シミュレーションされた効率特性が測定値と比較的よく一致していることが明らかであり、開発されたモデルについての信頼性が得られます。

4 つの構成の FPC が 1 × 2 m の寸法でモデル化されました。 すべてのバリエーションには共通の最先端の銅レーザー溶接吸収体があり、吸収率 0.95、放射率 0.05 の高性能選択コーティングが施されています。 吸収体の厚さは0.2mm、パイプ間の距離は100mmです。 熱伝導率0.04W/m・Kの背面断熱材と端面断熱材の厚さはそれぞれ50mmと20mmです。 吸収体とガラスの間の空隙の厚さは 30 mm です (以下で説明するバリアント VC4 を除く)。 検討されているバリエーション間の違いは、カバー ガラスのみです。

FPC の最初の構成 (RC) は、表 1 に示すパラメータを持つ透明カバーとして基準グレージング (REF) を備えています。第 2 の構成 VC1 は、基準グレージングの代わりに真空グレージング VG1 を備えています。 3 番目の構成 VC2 は、バリアント VG2 をカバー グレージングとして考慮します。 最後の構成 VC3 は、基本的に構成が異なります。 このバリエーションには吸収体とカバーの間に隙間がありません。 ここでは、吸収体は永久的に柔軟で透明度の高いシリコーンゲルによって VG2 に接着されており、コレクタの厚さを減らしています (エンベロープの統合を構築するのに適した「スリムな」コレクタの代替品)。 FPC コレクタ RC、VC1、VC2、および VC3 の考慮された構成を図 7 に示します。

図 8 のグラフは、検討されたソーラー コレクターのバリエーションの効率曲線を示しています。 EN ISO 9806 に関しては、コレクタ効率 η はコレクタ総面積 AG に基づいています。 計算は、初期に説明された FPC の理論的詳細モデルを使用して行われました。 グラフは、比較した FPC バリアントのエネルギー品質の違いを示しています。 VC2 の効率曲線の傾きが低いのは、コレクタ VC2 に 2 つの low-e コーティング (1 つ目は真空ガラスの内側、2 つ目は吸収体表面) があるためです。 他のバリエーション RC、VC1、VC3 には low-e コーティングが 1 つだけあります。 太陽熱集熱器の代替品 VC3 は、基準代替品 REF よりも熱効率が低くなります。 真空層にもかかわらず、REF バリアントの放射率 0.05 の吸収体コーティングではなく、VC3 バリアントのガラス Low-E コーティング (0.2) のより高い放射率により、上部の合計熱損失は同様の値になりますが、VC3 構成の光学パラメータはは低くなります (ゼロ損失効率 η₀ が低くなります)。 得られた効率特性の係数 η0、a1、および a2 を表 2 に示します。

表 2 コレクタのシミュレーション結果の概要。

一方、太陽光発電コレクターのバリエーション VC3 の厚さは、比較したバリエーションの中で最も薄く、わずか 60 mm です。 このような厚さは、スリムでコンパクトな設計のため、FPC を建物の外皮に組み込む可能性が高くなります。 他のバリエーション RC、VC1、VC2 の厚さはそれぞれ 87、91、91 mm です。

図 9 は、コレクタの総面積に関連した平板コレクタ バリアント VC2 と真空管コレクタ (反射板あり/なし、円筒形/平面吸収体) の効率特性の比較を示しています。 ソーラーフラットプレートコレクタバリアント VC2 の熱性能は、真空管コレクタの熱性能と同等です。 さらに、太陽熱集熱器のバリエーション VC2 は、大部分の真空管集熱器 (VT) よりも大幅に高い効率を示します。

全体像を把握するために、コレクター VC2 および VT コレクターの年間パフォーマンスは、一定の動作温度 25、50、75、および 100°C およびヴュルツブルクの気候条件に対して ScenoCalc [25] ソフトウェアを使用してモデル化されました。 比較したコレクタの性能と光学特性を入力データとして使用しました。 結果を表 3 に示します。モデリングの結果により、平板型太陽光集熱器のバリアント VC2 は、動作温度 100°C まで、大部分の真空管集熱器よりも高い太陽エネルギー利得を有することが確認されました。

表 3 コレクター総面積に対する年間ソーラーコレクター利得の計算値。

平らな真空グレージングに基づく平板型ソーラーコレクタのさまざまな設計が、詳細な数学モデルを使用して理論的に研究され、ソーラーフラットプレートコレクタにおける真空グレージングの応用の可能性が示されています。 選択されたバリアント VC2 は、SceneCalc でコレクタの熱出力を毎年シミュレーションすることにより、最先端の真空管コレクタと比較されています。 結果は、透明カバーとして高性能真空ガラスを使用することによって、ソーラーフラットプレートコレクターの効率を向上させる大きな可能性があることを示しています。 コレクタ バリアント VC2 は、動作温度 100°C まで、大部分の真空管コレクタよりも高いパフォーマンスを示します。

著者らは、この論文の出版に関して利益相反がないことを宣言します。

この研究は、国家持続可能性プログラム I (NPU I)、プロジェクト番号 1 の中で、教育、青少年、スポーツ省によって支援されています。 LO1605、エネルギー効率の高い建物の持続可能性フェーズに関する大学センター、およびプロジェクト SGS16/212/OHK2/3T/12 による - 環境工学設備のモデリング、制御、設計。