1. Солнечные коллекторы.

Солнечный коллектор является основным элементом установки, в которой энергия излучения Солнца преобразуется в другую форму полезной энергии. В отличие от обычных теплообменников, в которых происходит интенсивная передача тепла от одной жидкости к другой, а излучение несущественно, в солнечном коллекторе перенос энергии к жидкости осуществляется от удаленного источника лучистой энергии. Без концентрации солнечных лучей плотность потока падающего излучения составляет в лучшем случае -1100 Вт/м 2 и является переменной величиной. Длины волн заключены в интервале 0,3 - 3,0 мкм. Они значительно меньше величин длин волн собственного излучения большинства поверхностей, поглощающих излучение. Таким образом, исследование солнечных коллекторов связано с уникальными проблемами теплообмена при низких и переменных плотностях потока энергии и относительно большой роли излучения.

Солнечные коллекторы могут применяться как с концентрацией, так и без концентрации солнечного излучения. В плоских коллекторах поверхность, воспринимающая солнечное излучение, является одновременно поверхностью, поглощающей излучение. Фокусирующие коллекторы, обычно имеющие вогнутые отражатели, концентрируют падающее на всю их поверхность излучение на теплообменник с меньшей площадью поверхности, увеличивая тем самым плотность потока энергии.

1.1. Плоские солнечные коллекторы. Плоский солнечный коллектор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет энергии излучения Солнца.

Плоские коллекторы могут применяться для нагрева теплоносителя до умеренных температур, t ≈ 100 o C. К их преимуществам следует отнести возможность использования как прямой, так и рассеянной солнечной радиации; они не требуют слежения за солнцем и не нуждаются в повседневном обслуживании. В конструктивном отношении они проще, чем система, состоящая из концентрирующих отражателей, поглощающих поверхностей и механизмов слежения. Область применения солнечных коллекторов - системы отопления жилых и производственных зданий, системы кондиционирования, горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом, работающие обычно по циклу Ренкина.

Основными элементами типичного плоского солнечного коллектора (рис.1) являются: "черная" поверхность, которая поглощает солнечную радиацию и передает ее энергию теплоносителю (как правило жидкости); прозрачные относительно солнечного излучения покрытия, расположенные над поглощающей поверхностью, которые уменьшают конвективные и радиационные потери в атмосферу; теплоизоляция обратной и торцевой поверхностей коллектора для снижения потерь за счет теплопроводности.

Рис.1. Принципиальная схема плоского солнечного коллектора.

а) 1 - прозрачные покрытия; 2 - изоляция; 3 - труба с теплоносителем; 4 - поглощающая поверхность;

б) 1.поверхность, поглощающая солнечную радиацию, 2-каналы теплоносителя, 3-стекло(??), 4-корпус,

5- тепловая изоляция.

Рис.2 Солнечный коллектор типа лист - труба.

1 - верхний гидравлический коллектор; 2 - нижний гидравлический коллектор; 3 - п труб, расположенных на расстоянии W друг от дру­га; 4 - лист (поглощающая пластина); 5- соединение; 6 - труба (не в масштабе);

7 - изоляция.

1.2. Эффективность коллектора . Эффективность коллектора определяется его оптическим и тепловым КПД. Оптический КПД η о показывает, какая часть солнечной радиации, достигшая поверхности остекления коллектора, оказывается поглощенной абсорбирующей черной поверхностью, и учитывает потери энергии, связанные с отличием от единицы коэффициента пропускания стекла и коэффициента поглощения абсорбирующей поверхности. Для коллектора с однослойным остеклением

где (τα) n - произведение коэффициента пропускания стекла τ на коэффициент поглощения α абсорбирующий излучение поверхности при нормальном падении солнечных лучей.

В том случае, если угол падения лучей отличается от прямого, вводится поправочный коэффициент k, учитывающий увеличение потерь на отражение от стекла и поверхности, поглощающей солнечную радиацию. На рис. 3 приведены графики k = f(1/ cos 0 - 1) для коллекторов с однослойным и двухслойным остеклением. Оптический КПД с учетом угла падения лучей, отличного от прямого,

Рис. 3. Поправочный коэффициент, учитывающий отражение солнечных лучей от поверхности стекла и черной абсорбирующей поверхности.

Кроме этих потерь в коллекторе любой конструкции присутствуют потери теплоты в окружающую среду Q пот, которые учитываются тепловым КПД, который равен отношению количества полезной теплоты, отведенной от коллектора за определенное время, к количеству энергии излучения, поступающей к нему от Солнца за то же время:

где Ω площадь апертуры коллектора; І - плотность потока солнечной радиации.

Оптический и тепловой КПД коллектора связаны отношением

Тепловые потери характеризуются полным коэффициентом потерь U

где Т а - температура черной поверхности, абсорбирующей солнечную радиацию; Т о -температура окружающей среды.

Величина U с достаточной для расчетов точностью может считаться постоянной. В этом случае подстановка Q пот в формулу для теплового кпд приводит к уравнению

Тепловой КПД коллектора может быть записан также через среднюю температуру протекающего через него теплоносителя:

где T t = (Т вх + Т вых) /2 - средняя температура теплоносителя; F" - параметр, обычно называемый «эффективностью коллектора» и характеризующий эффективность переноса теплоты от поверхности, поглощающей солнечную радиацию, к теплоносителю; он зависит от конструкции коллектора и почти не зависит от других факторов; типичные значения параметра F"≈: 0,8-0,9 - для плоских воздушных коллекторов; 0,9-0,95 - для плоских жидкостных коллекторов; 0,95-1,0 - для вакуумных коллекторов.

1.3. Вакуумные коллекторы. В том случае, когда необходим нагрев до более высоких температур, используют вакуумные коллекторы. В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечную радиацию, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет значительно уменьшить поте­ри теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются путем применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до более высоких температур (120-150 °С), чем в плоском коллекторе. На рис. 9.10 показаны примеры конструктивного выполнения вакуумных коллекторов.

Рис. 4. Типы вакуумных коллекторов.

1 - трубка с теплоносителем; 2 - пластина с селективным покрытием, поглощающая солнечное излучение; 3 тепловая труба; 4 теплосъемный элемент; 5 стеклянная трубка с селективным покрытием; б - внутренняя трубка для подачи теплоносителя; 7 наружный стеклянный баллон; 8 вакуум

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР

ГЛАВНОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ
СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

РД 34.20.115-89

СЛУЖБА ПЕРЕДОВОГО ОПЫТА ПО «СОЮЗТЕХЭНЕРГО»

Москва 1990

РАЗРАБОТАНО Государственным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского

ИСПОЛНИТЕЛИ М.Н. ЕГАЙ, О.М. КОРШУНОВ, А.С. ЛЕОНОВИЧ, В.В. НУШТАЙКИН, В.К. РЫБАЛКО, Б.В. ТАРНИЖЕВСКИЙ, В.Г. БУЛЫЧЕВ

УТВЕРЖДЕНО Главным научно-техническим управлением энергетики и электрификации 07.12.89 г.

Начальник В.И. ГОРИЙ

Срок действия устанавливается

с 01.01.90

до 01.01.92

Настоящие Методические указания устанавливают порядок выполнения расчета и содержат рекомендации по проектированию систем солнечного теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений.

Методические указания предназначены для проектировщиков и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения.

. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

где f - доля полной среднегодовой тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии;

где F - площадь поверхности СК, м 2 .

где Н - среднегодовая суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт · ч/м 2 ; находится из приложения ;

а, b - параметры, определяемые из уравнения () и ()

где r - характеристика теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций здания при фиксированном значении нагрузки ГВС, представляет собой отношение суточной нагрузки отопления при температуре наружного воздуха равной 0 °С к суточной нагрузке ГВС. Чем больше r , тем больше доля отопительной нагрузки по сравнению с долей нагрузки ГВС и тем менее совершенной является конструкция здания с точки зрения тепловых потерь; r = 0 принимается при расчете только системы ГВС. Характеристика определяется по формуле

где λ - удельные тепловые потери здания, Вт/(м 3 · °С);

m - количество часов в сутках;

k - кратность вентиляционного обмена воздуха, 1/сут;

ρ в - плотность воздуха при 0 °С, кг/м 3 ;

f - коэффициент замещения, ориентировочно принимается от 0,2 до 0,4.

Значения λ , k , V , t в , s закладываются при проектировании ССТ.

Значения коэффициента α для солнечных коллекторов II и III типов

	Значения коэффициентов
	α 1	α 2	α 3	α 4	α 5	α 6	α 7	α 8	α 9
	607,0	80,0		1340,0	437,5	22,5	1900,0	1125,0	25,0
	298,0	148,5	61,5	150,0	1112,0	337,5	700,0	1725,0	775,0

Значения коэффициента β для солнечных коллекторов II и III типов

	Значения коэффициентов
	β 1	β 2	β 3	β 4	β 5	β 6	β 7	β 8	β 9
	1,177	0,496	0,140			0,995	3,350	5,05	1,400
	1,062	0,434	0,158	2,465	2,958	1,088	3,550	4,475	1,775

Значения коэффициентов а и b находятся из табл. .

Значения коэффициентов а и b в зависимости от типа солнечного коллектора

	Значения коэффициентов
		0,75
		0,80

где q i - удельная годовая теплопроизводительность СГВС при значениях f , отличных от 0,5;

Δq - изменение годовой удельной теплопроизводительности СГВС, %.

Изменение значения удельной годовой теплопроизводительности Δq от годового поступления солнечной радиации на горизонтальную поверхность H и коэффициента f

. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ где З с - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии ССТ, руб./ГДж; З б - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии базовой установкой, руб./ГДж. где С c - приведенные затраты на ССТ и дублер, руб./год; где к с - капитальные затраты на ССТ, руб.; к в - капитальные затраты на дублер, руб.; E н - нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений (0,1); Э с - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на ССТ; Э в - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на дублер; Ц - стоимость единицы тепловой энергии, вырабатываемой дублером, руб./ГДж; N д - количество тепловой энергии, вырабатываемой дублером в течение года, ГДж; к э - эффект от снижения загрязнения окружающей среды, руб.; к п - социальный эффект от экономии зарплаты персонала, обслуживающего дублер, руб. Удельные приведенные затраты определяются по формуле где С б - приведенные затраты на базовую установку, руб./год;	Определение термина
	Солнечный коллектор	Устройство для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую и другие виды энергии
Часовая (суточная, месячная и т.д.) теплопроизводительность	Количество тепловой энергии, отводимой от коллектора за час (сутки, месяц и т.д.) работы
Плоский солнечный коллектор	Нефокусирующий солнечный коллектор с поглощающим элементом плоской конфигурации (типа «труба в листе», только из труб и т.п.) и плоской прозрачной изоляцией
Площадь тепловоспринимающей поверхности	Площадь поверхности поглощающего элемента, освещенная солнцем в условиях нормального падения лучей
Коэффициент тепловых потерь через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора)	Поток тепла в окружающую среду через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора), отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности, при разности средних температур поглощающего элемента и наружного воздуха в 1 °С
Удельный расход теплоносителя в плоском солнечном коллекторе	Расход теплоносителя в коллекторе, отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности
Коэффициент эффективности	Величина, характеризующая эффективность переноса тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю и равная отношению фактической теплопроизводительности к теплопроизводительности при условии, что все термические сопротивления передачи тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю равны нулю
Степень черноты поверхности	Отношение интенсивности излучения поверхности к интенсивности излучения черного тела при той же температуре
Пропускательная способность остекления	Пропускаемая прозрачной изоляцией доля солнечного (инфракрасного, видимого) излучения, падающего на поверхность прозрачной изоляции
Дублер	Традиционный источник тепловой энергии, обеспечивающий частичное или полное покрытие тепловой нагрузки и работающий в сочетании с системой солнечного теплоснабжения
Система солнечного теплоснабжения	Система, обеспечивающая покрытие нагрузки отопления и горячего водоснабжения за счет солнечной энергии

Приложение 2

Теплотехнические характеристики солнечных коллекторов

	Тип коллектора
Общий коэффициент тепловых потерь U L , Вт/(м 2 · °С)
Поглощательная способность тепло-приемной поверхности α	0,95	0,90	0,95
Степень черноты поглощательной поверхности в диапазоне рабочих температур коллектора ε	0,95	0,10	0,95
Пропускательная способность остекления τ п	0,87	0,87	0,72
Коэффициент эффективности F R	0,91	0,93	0,95
Максимальная температура теплоносителя, °С
Примечани е. I - одностекольный неселективный коллектор; II - одностекольный селективный коллектор; III - двухстекольный неселективный коллектор.

Приложение 3

Технические характеристики солнечных коллекторов

	Изготовитель
	Братский завод отопительного оборудования	Спецгелиотепломонтаж ГССР	КиевЗНИИЭП	Бухарский завод гелиоаппаратуры
Длина, мм	1530	1000 - 3000	1624	1100
Ширина, мм			1008
Высота, мм		70 - 100
Масса, кг	50,5	30 - 50
Тепловоспринимающая поверхность, м		0,6 - 1,5		0,62
Рабочее давление, МПа		0,2 - 0,6

Приложение 4

Технические характеристики проточных теплообменников типа ТТ

	Диаметр наружный/внутренний, мм		Проходное сечение		Поверхность нагрева одной секции, м 2	Длина секции, мм	Масса одной секции, кг
			внутренней трубы, см 2	кольцевого канала, см 2
	внутренней трубы	наружной трубы
ТТ 1-25/38-10/10	25/20	38/32	3,14	1,13		1500
ТТ 2-25/38-10/10	25/20	38/32	6,28	6,26		1500

Приложение 5

Годовой приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность (Н), кВт · ч/м 2

Азербайджанская ССР
Баку	1378
Кировобад	1426
Мингечаур	1426
Армянская ССР
Ереван	1701
Ленинакан	1681
Севан	1732
Нахичевань	1783
Грузинская ССР
Телави	1498
Тбилиси	1396
Цхакая	1365
Казахская ССР
Алма-Ата	1447
Гурьев	1569
Форт-Шевченко	1437
Джезказган	1508
Ак-Кум	1773
Аральское море	1630
Бирса-Кельмес	1569
Кустанай	1212
Семипалатинск	1437
Джаныбек	1304
Колмыково	1406
Киргизская ССР
Фрунзе	1538
Тянь-Шань	1915
РСФСР
Алтайский край
Благовещенка	1284
Астраханская область
Астрахань	1365
Волгоградская область
Волгоград	1314
Воронежская область
Воронеж	1039
Каменная степь	1111
Краснодарский край
Сочи	1365
Куйбышевская область
Куйбышев	1172
Курская область
Курск	1029
Молдавская ССР
Кишинев	1304
Оренбургская область
Бузулук	1162
Ростовская область
Цимлянск	1284
Гигант	1314
Саратовская область
Ершов	1263
Саратов	1233
Ставропольский край
Ессентуки	1294
Узбекская ССР
Самарканд	1661
Тамдыбулак	1752
Тахнаташ	1681
Ташкент	1559
Термез	1844
Фергана	1671
Чурук	1610
Таджикская ССР
Душанбе	1752
Туркменская ССР
Ак-Молла	1834
Ашхабад	1722
Гасан-Кули	1783
Кара-Богаз-Гол	1671
Чарджоу	1885
Украинская ССР
Херсонская область
Херсон	1335
Аскания Нова	1335
Сумская область
Конотоп	1080
Полтавская область
Полтава	1100
Волынская область
Ковель	1070
Донецкая область
Донецк	1233
Закарпатская область
Берегово	1202
Киевская область
Киев	1141
Кировоградская область
Знаменка	1161
Крымская область
Евпатория	1386
Карадаг	1426
Одесская область
	30,8	39,2	49,8	61,7	70,8	75,3	73,6	66,2	55,1	43,6	33,6	28,7
	28,8	37,2	47,8	59,7	68,8	73,3	71,6	64,2	53,1	41,6	31,6	26,7
	26,8	35,2	45,8	57,7	66,8	71,3	69,6	62,2	51,1	39,6	29,6	24,7
	24,8	33,2	43,8	55,7	64,8	69,3	67,5	60,2	49,1	37,6	27,6	22,7
	22,8	31,2	41,8	53,7	62,8	67,3	65,6	58,2	47,1	35,6	25,6	20,7
	20,8	29,2	39,8	51,7	60,8	65,3	63,6	56,2	45,1	33,6	23,6	18,7
	18,8	27,2	37,8	49,7	58,8	63,3	61,6	54,2	43,1	31,6	21,6	16,7
	16,8	25,2	35,8	47,7	56,8	61,3
Температура кипения, °С	106,0	110,0	107,5	105,0	113,0
Вязкость, 10 -3 Па · с:
при температуре 5 °С		5,15		6,38
при температуре 20 °С					7,65
при температуре -40 °С	7,75	35,3		28,45
Плотность, кг/м 3				1077	1483 - 1490
Теплоемкость кДж/(м 3 · °С):
при температуре 5 °С	3900	3524
при температуре 20 °С				3340	3486
Коррозионная способность	Сильная	Средняя	Слабая	Слабая	Сильная
Токсичность	Нет	Средняя	Нет	Слабая	Нет

Примечани е. Теплоносители на основе углекислого калия имеют следующие составы (массовая доля):

Рецептура 1 Рецептура 2

Калий углекислый, 1,5-водный 51,6 42,9

Натрий фосфорнокислый, 12-водный 4,3 3,57

Натрий кремнекислый, 9-водный 2,6 2,16

Натрий тетраборнокислый, 10-водный 2,0 1,66

Флуоресцоин 0,01 0,01

Вода До 100 До 100

Nbsp; РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов Методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов: методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии/ А. В. ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛЖЕНИЯ 1.1. Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора 1.2. Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения 2. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 3. РАСЧЁТ ТЕПЛОТЫ НА ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ 3.1. Основные положения 3.2. Определение трансмиссионных тепловых потерь 3.3. Определение расхода теплоты на подогрев вентиляционного воздуха 3.4. Определение затрат теплоты на горячее водоснабжение 4. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИБЛИОГРАФИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора

Плоский солнечный коллектор (СК) является основным элементом систем солнечного отопления и горячего водоснабжения. Принцип его действия прост. Большая часть солнечной радиации, падающей на коллектор, поглощается поверхностью, которая является «черной» по отношению к солнечному излучению. Часть поглощенной энергии передается жидкости, циркулирующей через коллектор, а остальная теряется в результате теплообмена с окружающей средой. Тепло, уносимое жидкостью, представляет собой полезное тепло, которое либо аккумулируется, либо используется для покрытия отопительной нагрузки.

Основные элементы коллектора следующие: поглощающая пластина, обычно из металла, с неотражающим черным покрытием, обеспечивающим максимальное поглощение солнечного излучения; трубы или каналы по которым циркулирует жидкость пли воздух и которые находятся в тепловом контакте с поглощающем пластиной; тепловая изоляция днища и боковых кромок пластины; один или несколько воздушных промежутков, разделенных прозрачными покрытиями в целях теплоизоляции пластины сверху; и наконец, корпус, обеспечивающий долговечность и устойчивость к воздействию погодных факторов. На рис. 1 показаны поперечные сечения водо- и воздухонагревателя.

Рис. 1. Схематичное изображение солнечных коллекторов с водяным и воздушным теплоносителями: 1 – тепловая изоляция; 2 – воздушный канал; 3 – прозрачные покрытия; 4 – поглощающая пластина; 5 – трубы, соединенные с пластиной.

Прозрачное покрытие обычно делают из стекла. Стекло обладает превосходной стойкостью к атмосферным воздействиям и хорошими механическими свойствами. Оно относительно недорого и при низком содержании окиси железа может иметь высокую прозрачность. Недостатками стекла являются хрупкость и большая масса. Наряду со стеклом возможно применение и пластмассовых материалов. Пластмасса обычно менее подвержена поломке, легка и в виде топких листов недорога. Однако она, как правило, не обладает столь же высокой устойчивостью к воздействию погодных факторов, как стекло. На поверхность пластмассового листа легко наносятся царапины и многие пластмассы со временем деградируют и желтеют, в результате чего снижается их пропускательная способность по отношению к солнечному излучению и ухудшается механическая прочность. Еще одним преимуществом стекла по сравнению с пластмассами является то, что стекло поглощает или отражает все падающее на него длинноволновое (тепловое) излучение, испускаемое поглощающей пластиной. Потери тепла в окружающую среду путем излучения снижаются при этом более эффективно, чем в случае пластмассового покрытия, которое пропускает часть длинноволнового излучения.

Плоский коллектор поглощает как прямое, так и диффузное излучение. Прямое излучение вызывает отбрасывание тени освещаемым солнцем предметом. Диффузное излучение отражается и рассеивается облаками и пылью, прежде чем достигает поверхности земли; в отличие от прямого излучения оно не приводит к образованию теней. Плоский коллектор обычно устанавливают неподвижно на здании. Его ориентация зависит от местоположения и времени года, в течение которого должна работать солнечная энергетическая установка. Плоский коллектор обеспечивает низкопотенциальное тепло, требуемое для нагрева воды и отопления помещения.

Фокусирующие (концентрирующие) солнечные коллекторы, в том числе с параболическим концентратором или концентратором Френеля, могут применяться в системах солнечного теплоснабжения. Большая часть фокусирующих коллекторов использует только прямую солнечную радиацию. Преимущество фокусирующего коллектора по сравнению с плоским состоит в том, что он имеет меньшую площадь поверхности, с которой тепло теряется в окружающую среду, а следовательно, рабочая жидкость может быть нагрета в нем до более высоких температур, чем в плоских коллекторах. Однако для нужд отопления и горячего водоснабжения более высокая температура почти (или совсем) не имеет значения. Для большинства концентрирующих систем коллектор должен следить за положением солнца. Системы, не дающие изображения солнца, обычно требуют регулировки несколько раз в год.

Следует различать мгновенные характеристики коллектора (т. е. характеристики в данный момент времени, зависящие от метеорологических и рабочих условий в этот момент), и его долгосрочные характеристики. На практике коллектор системы солнечного теплоснабжения работает в широком диапазоне условий в течение года. В некоторых случаях рабочий режим характеризуется высокой температурой и низкой эффективностью коллектора, в других случаях, наоборот, низкой температурой и высокой эффективностью.

Для рассмотрения работы коллектора при переменных условиях необходимо определить зависимость его мгновенных характеристик от метеорологических и режимных факторов. Для описания характеристик коллектора необходимы два параметра, один из которых определяет количество поглощенной энергии, а другой - потери тепла в окружающую среду. Эти параметры лучшее всего определяются в результате испытаний, в которых измеряется мгновенная эффективность коллектора в соответствующем диапазоне условий.

Полезная энергия, отводимая из коллектора в данный момент времени, - это разность количества солнечной энергии, поглощенной пластиной коллектора, и количества энергии, теряемой в окружающую среду. Уравнение, которое применимо для расчета почти всех существующих конструкций плоского коллектора, имеет вид:

где - полезная энергия, отводимая из коллектора в единицу времени, Вт; - площадь коллектора, м 2 ; - коэффициент отвода тепла из коллектора; - плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора Вт/м 2 ; - пропускательная способность прозрачных покрытии по отношению к солнечному излучению; - поглотительная способность пластины коллектора по отношению к солнечному излучению; - полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м 2 °С); -температура жидкости на входе в коллектор, °С; - температура окружающей среды, °С.

Солнечная радиация, падающая на коллектор, в любой момент времени состоит из трех частей: прямой радиации, диффузной радиации и радиации, отраженной от земли или окружающих предметов, количество которой зависит от угла наклона коллектора к горизонту и характера этих предметов. Когда проводятся испытании коллектора, плотность потока радиации I измеряют с помощью пиранометра, установленного под тем же, что и коллектор, углом наклона к горизонту. Применяемый при расчетах f -метод требует знания средних месячных приходов солнечной радиации на поверхность коллектора. Чаще всего в справочниках имеются данные по средним месячным приходам радиации на горизонтальную поверхность.

Плотность потока солнечной радиации, поглощаемой пластиной коллектора в некоторый момент времени, равна произведению плотности потока падающей радиации I , пропускательной способности системы прозрачных покрытий t и поглощательной способности пластины коллектора a . Обе последние величины зависят от материала и угла падения солнечного излучения (т. е. угла между нормалью к поверхности и направлением солнечных лучей). Прямая, диффузная и отраженная составляющие солнечной радиации поступают на поверхность коллектора под различными углами. Поэтому оптические характеристики t и a должны рассчитываться с учетом вклада каждой из компонент.

Коллектор теряет тепло различными способами. Потери тепла от пластины к прозрачным покрытиям и от верхнего покрытия к наружному воздуху происходят путем излучения и конвекции, но соотношение этих потерь в первом и втором случаях не одинаково. Потери тепла через изолированные днище и боковые стенки коллектора обусловлены теплопроводностью. Коллекторы должны проектироваться таким образом, чтобы все тепловые потерн были наименьшими.

Произведение полного коэффициента потер U L и разности температур в уравнении (1) представляет собой потери тепла от поглощающей пластины при условии, что ее температура всюду равна температуре жидкости на входе. При нагревании жидкости пластина коллектора имеет более высокую температуру, чем температура жидкости па входе. Это необходимое условие переноса тепла от пластины к жидкости. Поэтому фактические потери тепла от коллектора больше значения произведения . Разница потерь учитывается с помощью коэффициента отвода тепла F R .

Полный коэффициент потерь U L равен сумме коэффициентов потерь через прозрачную изоляцию, днище и боковые стенки коллектора. Для хорошо спроектированного коллектора сумма последних двух коэффициентов обычно составляет около 0,5 - 0,75 Вт/(м 2 °С). Коэффициент потерь через прозрачную изоляцию зависит от температуры поглощающей пластины, числа и материала прозрачных покрытий, степени черноты пластины в инфракрасной части спектра, температуры окружающей среды и скорости ветра.

Уравнение (1) удобно для расчета солнечных энергетических систем, поскольку полезная энергия коллектора определяется по температуре жидкости па входе. Однако потери тепла в окружающую среду зависят от средней температуры поглощающей пластины, которая всегда выше температуры на входе, если жидкость нагревается, проходя через коллектор. Коэффициент отвода тепла F R равен отношению фактической полезной энергии, когда температура жидкости в коллекторе увеличивается в направлении потока, к полезной энергии, когда температура всей поглощающей пластины равна температуре жидкости на входе.

Коэффициент F R зависит от расхода жидкости через коллектор и конструкции поглощающей пластины (толщины, свойств материала, расстояния между трубами и т. п.) и почти не зависит от интенсивности солнечной радиации и температур поглощающей пластины и окружающей среды.

Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения

Системы солнечного теплоснабжения (или гелиоустановки) можно разделить на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы, или «солнечные дома», которые для сбора и распределения солнечной энергии используют архитектурные и строительные элементы здания и не требуют дополнительного оборудования. Чаще всего такие системы включают в себя зачерненную стену здания, обращенную на юг, на некотором расстоянии от которой расположено прозрачное покрытие. В верхней и нижней части стены имеются отверстия, соединяющие пространство между стеной и прозрачным покрытием с внутренним объемом здания. Солнечная радиация нагревает стену: воздух, омывающий стену, нагревается от нее и поступает через верхнее отверстие в помещения здания. Циркуляция воздуха обеспечивается либо за счет естественной конвекции, либо вентилятором. Несмотря на некоторые преимущества пассивных систем, используются в основном активные системы со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения солнечной радиации, так как эти системы позволяют улучшить архитектуру здания, повысить эффективность использования солнечной энергии, а также обеспечивают большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширяют область применения. Выбор, состав и компоновка элементов активной системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае, определяются климатическими факторами, типом объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями. Специфическим элементом этих систем является солнечный коллектор; применяемые элементы, такие как теплообменные устройства, аккумуляторы, дублирующие источники теплоты, сантехническая арматура, широко используются в промышленности. Солнечный коллектор обеспечивает преобразование солнечного излучения в теплоту, передаваемую нагреваемому теплоносителю, циркулирующему в коллекторе.

13

Аккумулятор является важным компонентом системы солнечного теплоснабжения, так как из-за периодичности поступления солнечной радиации в течение дня, месяца, года максимум теплопотребления объекта не совпадает с максимумом теплопоступления. Выбор объема аккумулятора зависит отхарактеристик системы. Аккумулятор может быть выполнен в виде бака или другой емкости, заполненной аккумулирующим теплоту веществом. В эксплуатируемых системах обычно на 1 м 2 солнечного коллектора приходится от 0,05 до 0,12 м 3 вместимости бака-аккумулятора. Существуют проекты межсезонного аккумулирования солнечной энергии, при этом вместимость бака-аккумулятора достигает 100 - 200 м 3 . Баки-аккумуляторы могут работать за счет теплоемкости рабочего вещества или теплоты фазовых превращений различных материалов. Однако на практике из-за простоты, надежности и сравнительной дешевизны наибольшее распространение получили аккумуляторы, в которых рабочим веществом является вода или воздух. Водяные аккумуляторы представляют собой цилиндрические стальные резервуарысо слоем теплоизоляции. Чаще всего они располагаются в подвале дома. В воздушных аккумуляторах применяют засыпку из гравия, гранита и других твердых наполнителей. Дублирующий источник теплоты также является необходимым элементом солнечной установки. Назначение источника - полное обеспечение объекта теплотой в случае недостатка или отсутствия солнечной радиации. Выбор типа источника определяется местными условиями. Это может быть, либо электробойлер, либо водогрейный котел или котельная на органическом топливе. В качестве теплообменных устройств используются различные типы теплообменников, широко применяемых в энергетике и теплотехнике, например, скоростные теплообменники, водяные подогреватели и т. д.

Кроме основных элементов, описанных выше, солнечные систем теплоснабжения могут включать в себя насосы, трубопроводы, элементы системы КИП и автоматики и т. д. Различное сочетание этих элементов приводит к большому разнообразию систем солнечного теплоснабжения по их характеристикам и стоимости. На базе использования гелиоустановок могут быть решены задачи отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных объектов.

Гелиоустановки имеют следующую классификацию:

1) по назначению:

Системы горячего водоснабжения;

Системы отопления;

Комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;

2) по виду используемого теплоносителя:

Жидкостные;

Воздушные;

3) по продолжительности работы:

Круглогодичные;

Сезонные;

4) по техническому решению схемы:

Одноконтурные;

Двухконтурные;

Многоконтурные.

Наиболее часто применяемыми теплоносителями в системах солнечного теплоснабжения являются жидкости (вода, раствор этиленгликоля, органические вещества) и воздух. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Воздух не замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечками и коррозией оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного теплоснабжения предпочтение отдается жидкостям. Для жилищно-коммунальных нужд основной теплоноситель - вода.

При работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха необходимо либо использовать в качестве теплоносителя антифриз, либо каким-то способом избегать замерзания теплоносителя (например, своевременным сливом воды, нагревом ее, утеплением солнечного коллектора).

Системы солнечного теплоснабжения малой производительности, обеспечивающие небольших отдаленных потребителей, часто работают по принципу естественной циркуляции теплоносителя. Бак с водой располагается выше солнечного коллектора. Эта вода подается в нижнюю часть СК, расположенного под определенным углом, где начинает нагреваться изменять свою плотность и самотеком подниматься вверх по каналам коллектора. Затем она поступает в верхнюю часть бака, а ее место в коллекторе занимает холодная вода из его нижней части. Устанавливается режим естественной циркуляции. В более мощных и производительных системах циркуляция воды в контуре солнечного коллектора обеспечивается при помощи насоса.

Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения, представленны на рис. 2, 3 , можно разделить на две основные группы: установки, работающие по разомкнутой или прямоточной схеме (рис. 2); установки, работающие по замкнутой схеме (рис. 3). В установках первой группы теплоноситель подается в солнечные коллекторы (рис. 2 а, б) или в теплообменник гелиоконтура (рис. 2 в), где он нагревается и поступает либо непосредственно к потребителю, либо в бак-аккумулятор. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то теплоноситель догревается в дублирующем источнике теплоты. Рассмотренные схемы находят применение, в основном, в промышленных объектах, в системах с долговременным аккумулированием теплоты. Чтобы обеспечить постоянный температурный уровень теплоносителя на выходе из коллектора, необходимо изменять расход теплоносителя в соответствии с законом изменения интенсивности солнечной радиации в течение дня, что требует применения автоматических устройств и усложняет систему. В схемах второй группы передача теплоты от солнечных коллекторов осуществляется либо через бак-аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей (рис. 3 а), либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака (рис. 1.4 б), так и вне его (рис. 3 в). К потребителю нагретый теплоноситель поступает через бак и в случае необходимости догревается в дублирующем источнике теплоты. Установки, работающие по схемам, представленным на рис. 3, могут быть одноконтурными (рис. 3 а), двухконтурными (рис.3 б) или многоконтурными (рис. 3 в, г).

Рис. 2. Принципиальные схемы прямоточных систем: 1-солнечный коллектор; 2- аккумулятор; 3-теплообменник

Рис. 3. Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения

Применение того или иного варианта схемы зависит от характера нагрузки, типа потребителя климатических, экономических факторов и других условий. Рассмотренные на рис. 3 схемы нашли в настоящее время наибольшее применение, так как отличаются сравнительной простотой, надежностью в эксплуатации.

Этапы ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Расчетно-графическая работа состоит из следующих основных этапов:

1) Выполнение чертежа «План здания».

2) Выбор тепловой схемы системы отопления с использованием солнечных коллекторов

3) Выполнение чертежа «Схема отопления и ГВС с использованием солнечных тепловых коллекторов»

4) Расчет отопительной нагрузки (отопление и ГВС).

5) Расчет системы солнечного теплоснабжения и доли тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии f - методом.

6) Оформление пояснительной записки.

27.09.2019

Классификация и основные элементы гелиосистем

Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента - гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор, рисунок 1).

В пассивных гелиосистемах использование солнечной энергии осуществляется исключительно за счет архитектурно-конструктивных решений зданий.

В пассивной системе солнечного низкотемпературного отопления здание-коллектор солнечная радиация, проникая через световые проемы в помещение, попадает как бы в тепловую ловушку. Коротковолновое солнечное излучение свободно проходит через оконное стекло и попадая на внутренние ограждения помещения, преобразуется в теплоту. Вся солнечная радиация, попавшая в помещение, преобразуется в нем в теплоту и способна частично или полностью компенсировать его тепловые потери.

Для повышения эффективности работы системы здание-коллектор световые проемы большой площади помещают на южном фасаде, снабжая их жалюзи, которые при закрытии должны препятствовать в темное время суток потерям с противоизлучением, а в жаркий период в сочетании с другими солнцезащитными устройствами - перегреву помещения. Внутренние поверхности окрашивают в темные тона.

Задачей расчета при данном способе обогрева является определение необходимой площади световых проемов для пропускания в помещение потока солнечной радиации, необходимого с учетом аккумулирования для компенсации тепловых потерь. Как правило, мощности пассивной системы здание-коллектор в холодный период оказывается недостаточно, и в здании устанавливают дополнительный теплоисточник, превращая систему в комбинированную. Расчетом при этом определяют экономически целесообразные площади световых проемов и мощность дополнительного теплоисточника.

Пассивная солнечная система воздушного низкотемпературного отопления «стена–коллектор» включает массивную наружную стену, перед которой на небольшом расстоянии устанавливают лучепрозрачный экран с жалюзи. У пола и под потолком в стене устраивают щелевидные отверстия с клапанами. Солнечные лучи, пройдя через лучепрозрачный экран, поглощаются поверхностью массивной стены и преобразуются в теплоту, которая конвекцией передается воздуху, находящемуся в пространстве между экраном и стеной. Воздух нагревается и поднимается вверх, попадая через щелевое отверстие под потолком в обслуживаемое помещение, а его место занимает остывший воздух из помещения, проникающий в пространство между стеной и экраном через щелевое отверстие у пола помещения. Подача нагретого воздуха в помещение регулируют открытием клапана. Если клапан закрыт, происходит аккумуляция теплоты массивом стены. Эту теплоту можно отобрать конвективным потоком воздуха, открывая клапан в ночное время или в пасмурную погоду.

При расчете такой системы пассивного низкотемпературного солнечного воздушного отопления определяют необходимую площадь поверхности стены. Данную систему также дублируют дополнительным источником теплоты.

Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

• по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);
• по виду используемого теплоносителя (жидкостные - вода, антифриз и воздушные);
• по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);
• по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Для активных систем солнечного отопления применяют гелиоприемники двух типов: концентрирующие и плоские.

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух - малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами. Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0 ◦ C в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.

Солнечная водонагревательная установка СВУ (рисунок 2) состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией Солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бакаккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический или какой-либо другой автоматический нагреватель-дублер. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре - водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах - вода, а в контуре потребителя - воздух). Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рисунке 3. Она включает три контура циркуляции:

• первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;
• второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;
• третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака аккумулятора осуществляется из водопровода. Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6. Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

На рисунке 4 приведена схема системы солнечного отопления энергоэффективного экологически чистого дома.

В системе в качестве теплоносителя используют: воду при плюсовых температурах и антифриз в отопительный период (солнечный контур), воду (второй контур напольного отопления) и воздух (третий контур воздушного солнечного отопления).

В качестве дублирующего источника использован электрокотел, а для аккумулирования тепла на одни сутки используется аккумулятор объемом 5 м 3 с насадкой из гальки. Один кубометр гальки аккумулирует в среднем за день 5 МДж тепла.

Низкотемпературные системы аккумулирования теплоты охватывают диапазон температур от 30 до 100 ◦C и используются в системах воздушного (30 ◦ C) и водяного (30–90 ◦ C) отопления и горячего водоснабжения (45–60 ◦ C).

Система аккумулирования теплоты, как правило, содержит резервуар, теплоаккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется накопление и хранение тепловой энергии, теплообменные устройства для подвода и отвода теплоты при зарядке и разрядке аккумулятора и тепловую изоляцию.

Аккумуляторы можно классифицировать по характеру физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах:

1. аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого материала (галька, вода, водные растворы солей и др.);
2. аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;
3. аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.

Наиболее широко распространены аккумуляторы теплоты емкостного типа.

Количество теплоты Q (кДж), которое может быть накоплено в аккумуляторе теплоты емкостного типа, определяется по формуле

Наиболее эффективным теплоаккумулирующим материалом в жидкостных солнечных системах теплоснабжения является вода. Для сезонного аккумулирования теплоты перспективно использование подземных водоемов, грунта горной породы и других природных образований.

Концентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или параболические зеркала (рисунок 5.), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 ◦ C) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет солнечной энергии. Область применения плоских солнечных коллекторов - системы отопления жилых и производственных зданий, системы кондиционирования, системы горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом, работающие обычно по циклу Ренкина. Плоские солнечные коллекторы (рисунки 6 и 7) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к Солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения. Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70–80 ◦ C, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к увеличению конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение Солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции наоснове «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие - дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

Принцип действия коллектора основан на том, что он воспринимает солнечную радиацию с достаточно высоким коэффициентом поглощения видимого солнечного света и имеет сравнительно низкие тепловые потери, в том числе за счет низкого коэффициента пропускания светопрозрачного стеклянного покрытия для теплового излучения при рабочей температуре. Ясно, что температура получаемого теплоносителя определяется тепловым балансом коллектора. Приходную часть баланса представляет тепловой поток солнечного излучения с учетом оптического КПД коллектора; расходная часть определяется извлекаемым полезным теплом, суммарным коэффициентом тепловых потерь и разностью рабочей температуры и окружающей среды. Совершенство коллектора определяется его оптическим и тепловым КПД.

Оптический КПД η о показывает, какая часть солнечной радиации, достигшей поверхности остекления коллектора, оказывается поглощенной абсорбирующей излучение черной поверхностью, и учитывает потери энергии, связанные с поглощением в стекле, отражением и отличием коэффициента теплового излучения абсорбирующей поверхности от единицы.

Простейший солнечный коллектор с одностекольным светопрозрачным покрытием, пенополиуретановой изоляцией остальных поверхностей и абсорбером, покрытым черной краской, имеет оптический КПД около 85%, а коэффициент тепловых потерь порядка 5–6 Вт/(м 2 · К) (рис. 7). Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя образует единый конструктивный элемент - абсорбер. Такой коллектор летом в средних широтах может нагреть воду до 55–60 ◦ C и имеет дневную производительность в среднем 70–80 л воды с 1 м 2 поверхности нагревателя.

Для получения более высоких температур применяют коллекторы из вакуумированных труб с селективным покрытием (рисунок 8).

В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством (каждый элемент абсорбера помещается в отдельную стеклянную трубу, внутри которой создается вакуум), что позволяет практически полностью устранить потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются за счет применения селективного покрытия. В вакуумном коллекторе теплоноситель можно нагреть до 120–150 ◦C. КПД вакуумного коллектора существенно выше, чем плоского коллектора, но и стоит он значительно дороже.

Эффективность работы гелиоэнергетических установок во многом зависит от оптических свойств поверхности, поглощающей солнечное излучение. Для сведения к минимуму потерь энергии необходимо, чтобы в видимой и ближней инфракрасных областях солнечного спектра коэффициент поглощения этой поверхности был как можно ближе к единице, а в области длин волн собственного теплового излучения поверхности к единице должен стремиться коэффициент отражения. Таким образом, поверхность должна обладать селективными свойствами - хорошо поглощать коротковолновое излучение и хорошо отражать длинноволновое.

По типу механизма, ответственного за избирательность оптических свойств, различают четыре группы селективных покрытий:

1. собственные;
2. двухслойные, у которых верхний слой обладает большим коэффициентом поглощения в видимой области спектра и малым - в инфракрасной области, а нижний слой - высоким коэффициентом отражения в инфракрасной области;
3. с микрорельефом, обеспечивающим требуемый эффект;
4. интерференционные.

Собственной избирательностью оптических свойств обладает небольшое число известных материалов, например W, Cu 2 S, HfC.

Наибольшее распространение получили двухслойные селективные покрытия. На поверхность, которой необходимо придать селективные свойства, наносится слой с большим коэффициентом отражения в длинноволновой области спектра, например медь, никель, молибден, серебро, алюминий. Поверх этого слоя наносится слой, прозрачный в длинноволновой области, но имеющий высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Такими свойствами обладают многие окислы.

Селективность поверхности может быть обеспечена за счет чисто геометрических факторов: неровности поверхности должны быть больше длины волны света в видимой и ближней инфракрасной областях спектра и меньше длины волны, соответствующей собственному тепловому излучению поверхности. Такая поверхность для первой из указанных областей спектра будет черной, а для второй - зеркальной.

Селективными свойствами обладают поверхности с дендритной или пористой структурой при соответствующих размерах дендритных игл или пор.

Интерференционные селективные поверхности образованы несколькими перемежающимися слоями металла и диэлектрика, в которых коротковолновое излучение гасится за счет интерференции, а длинноволновое - свободно отражается.

Масштабы использования солнечных систем теплоснабжения

По данным МЭА к концу 2001 г. суммарная площадь установленных коллекторов в 26 странах, наиболее активных в этом отношении, составила около 100 млн м 2 , из которых 27,7 млн м 2 приходится на долю неостекленных коллекторов, в основном используемых для подогрева воды в бассейнах. Остальные - плоские остекленные коллекторы и коллекторы с вакуумироваными трубами, - использовались в системах ГВС или для отопления помещений. По площади установленных коллекторов, приходящейся на 1000 жителей, лидируют Израиль (608 м 2), Греция (298) и Австрия (220). Следом идут Турция, Япония, Австралия, Дания и Германия с удельной площадью установленных коллекторов 118–45 м 2 /1000 жителей.

Общая площадь солнечных коллекторов, установленных к концу 2004 г., в странах ЕС достигла 13,96 млн м2, а в мире уже превысила 150 млн м 2 . Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12 %, а в отдельных странах находится на уровне 28–30% и более. Мировой лидер по количеству коллекторов на тысячу жителей - Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м 2 солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия - 47%, далее следует Греция - 14%, Австрия -12 %, Испания - 6 %, Италия - 4 %, Франция - 3 %. Европейские страны - бесспорные лидеры в разработке новых технологий систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объемах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок.

Из общей площади солнечных коллекторов, установленных в мире в 2004 г., 78% установлено в Китае. Рынок СВУ в Китае в последнее время растет с темпом 28% в год.

В 2007 г. общая площадь солнечных коллекторов, установленных в мире, уже составляла 200 млн м2, в том числе в Европе - более 20 млн м 2 .

Сегодня на мировом рынке стоимость СВУ (рисунок 9), включающей коллектор площадью 5–6м 2 , бак-аккумулятор емкостью около 300 л и необходимую арматуру, составляет 300–400 $ США в расчете на 1 м 2 коллектора. Такие системы преимущественно устанавливаются в индивидуальных одно- и двухсемейных домах и имеют резервный нагреватель (электро- или газовый). При установке бака-аккумулятора выше коллектора система может работать на естественной циркуляции (термосифонный принцип); при установке бака-аккумулятора в подвале - на принудительной.

В мировой практике наиболее широко распространены малые системы солнечного теплоснабжения. Как правило, такие системы включают в себя солнечные коллекторы общей площадью 2–8 м 2 , бак-аккумулятор, емкость которого определяется площадью установленных коллекторов, циркуляционный насос (в зависимости от типа тепловой схемы) и другое вспомогательное оборудование.

Активные системы большого размера, в которых бак-аккумулятор находится ниже коллекторов и циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса, применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления. Как правило, в активных системах, участвующих в покрытии части нагрузки отопления, предусматривается дублирующий источник тепла, работающий на электроэнергии или газе.

Сравнительно новое явление в практике использования солнечного теплоснабжения - крупные системы, способные обеспечить нужды горячего водоснабжения и отопления многоквартирных домов или целых жилых кварталов. В таких системах предусмотрено либо суточное, либо сезонное аккумулирование тепла. Суточное аккумулирование предполагает возможность работы системы с расходованием тепла, накопленного в течение нескольких суток, сезонное - в течение нескольких месяцев. Для сезонного аккумулирования тепла используют большие подземные резервуары, наполненные водой, в которые сбрасываются все излишки тепла, получаемого от коллекторов в течение лета. Другой вариант сезонного аккумулирования - прогрев грунта с помощью скважин с трубами, по которым циркулирует горячая вода, поступающая от коллекторов.

В таблице 1 приведены основные параметры крупных солнечных систем с суточным и сезонным аккумулированием тепла в сравнении с малой солнечной системой для односемейного дома.

Таблица 1. — Основные параметры солнечных систем теплоснабжения

В настоящее время в Европе функционируют 10 солнечных систем теплоснабжения с площадью коллекторов от 2400 до 8040 м 2 , 22 системы с площадью коллекторов от 1000 до 1250 м 2 и 25 систем с площадью коллекторов от 500 до 1000 м 2 . Ниже приведены характеристики для некоторых крупных систем.

Hamburg (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 14800 м 2 . Площадь солнечных коллекторов - 3000 м 2 . Объем водяного аккумулятора тепла - 4500 м 3 .

Fridrichshafen (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 33000 м 2 . Площадь солнечных коллекторов - 4050 м 2 . Объем водяного аккумулятора тепла - 12000 м 3 .

Ulm-am-Neckar (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 25000 м 2 . Площадь солнечных коллекторов - 5300 м 2 . Объем грунтового аккумулятора тепла - 63400 м 3 .

Rostock (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 7000 м 2 . Площадь солнечных коллекторов - 1000 м 2 . Объем грунтового аккумулятора тепла - 20000 м 3 .

Hemnitz (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 4680 м 2 . Площадь вакуумных солнечных коллекторов - 540 м 2 . Объем гравийно-водяного аккумулятора тепла - 8000 м 3 .

Attenkirchen (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 4500 м 2 . Площадь вакуумных солнечных коллекторов - 800 м 2 . Объем грунтового аккумулятора тепла - 9850 м 3 .

Saro (Швеция). Система состоит из 10 небольших домов, включающих 48 квартир. Площадь солнечных коллекторов - 740 м 2 . Объем водяного аккумулятора тепла - 640 м 3 . Солнечная система покрывает 35% общей тепловой нагрузки системы теплоснабжения.

В настоящее время в России существует несколько фирм, выпускающих солнечные коллекторы, пригодные для надежной эксплуатации. Основные из них - это Ковровский механический завод, НПО Машиностроение и ЗАО АЛЬТЭН.

Коллекторы Ковровского механического завода (рисунок 10), не имеющие селективного покрытия, дешевые и простые по конструкции, ориентированы в основном на внутренний рынок. В Краснодарском крае в настоящее время установлено более 1500 коллекторов такого типа.

Коллектор НПО Машиностроения по характеристикам близок к европейским стандартам. Абсорбер коллектора выполнен из алюминиевого сплава с селективным покрытием и рассчитан главным образом на работу в двухконтурных схемах теплоснабжения, поскольку прямой контакт воды с алюминиевыми сплавами может привести к питинговой коррозии каналов, по которым проходит теплоноситель.

Коллектор АЛЬТЭН-1 имеет совершенно новую конструкцию и удовлетворяет европейским стандартам, его можно использовать как в одноконтурных, так и двухконтурных схемах теплоснабжения. Коллектор отличается высокими теплотехническими характеристиками, широким диапазоном возможных применений, малым весом и привлекательным дизайном.

Опыт эксплуатации установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов, связанная с селективными покрытиями, повышением прозрачности остекления, вакуумированием и т. д. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м 2).

Эффективное использование солнечной энергии

В жилых и административных зданиях солнечную энергию в основном используют в форме тепла для удовлетворения нужд в горячем водоснабжении, отоплении, охлаждении, вентиляции, сушки и т. п.

Использование солнечного тепла с экономической точки зрения наиболее выгодно при создании систем горячего водоснабжения и в близких к ним по техническому воплощению установках для подогрева воды (в бассейнах, промышленных устройствах). Горячее водоснабжение необходимо в каждом жилом доме, и, поскольку потребности в горячей воде относительно мало меняются в течение года, эффективность таких установок высокая и они быстро окупаются.

Что касается систем солнечного отопления, то период их использования в течение года короткий, в отопительный период интенсивность солнечного излучения низкая и соответственно площадь коллекторов значительно больше, чем в системах горячего водоснабжения, и экономическая эффективность ниже. Обычно при проектировании совмещают систему солнечного отопления и горячего водоснабжения.

В системах солнечного охлаждения период эксплуатации еще ниже (три летних месяца), что влечет к продолжительному простою оборудования и очень низкому коэффициенту их использования. С учетом высокой стоимости оборудования для охлаждения экономическая эффективность систем становится минимальной.

Годовой коэффициент использования оборудования в комбинированных системах теплохладоснабжения (горячее водоснабжение, отопление и охлаждение) получается наиболее высоким, и эти системы на первый взгляд более выгодны, чем комбинированные системы отопления и горячего водоснабжения. Однако если при этом учесть стоимость необходимых солнечных коллекторов и механизмов системы охлаждения, то окажется, что такие солнечные установки будут очень дорогими и едва ли станут экономически выгодными.

При создании систем солнечного отопления следует применять пассивные схемы, предусматривающие повышение теплоизоляции здания и эффективное использование поступающего через оконные проемы солнечного излучения. Проблему теплоизоляции необходимо решать на основе архитектурно-конструктивных элементов, с использованием малотеплопроводных материалов и конструкций. Недостающее тепло рекомендуется восполнять при помощи активных солнечных систем.

Экономические характеристики солнечных коллекторов

Основная проблема широкого использования солнечных установок связана с их недостаточной экономической эффективностью по сравнению с традиционными системами теплоснабжения. Стоимость тепловой энергии в установках с солнечными коллекторами выше, чем в установках с традиционными топливами. Срок окупаемости солнечной тепловой установки T ок можно определить по формуле:

Экономический эффект установки солнечных коллекторов в зонах централизованного энергоснабжения Э может быть определен как доход от продажи энергии в период всего срока службы установки за вычетом издержек эксплуатации:

В таблице 2 представлена стоимость систем солнечного теплоснабжения (в ценах 1995 г.). Данные показывают, что отечественные разработки в 2,5–3 раза дешевле зарубежных.

Низкая цена отечественных систем объясняется тем, что они выполнены из дешевых материалов, просты по конструкции и ориентированы на внутренний рынок.

Таблица 2. — Стоимость систем солнечного теплоснабжения

Удельный экономический эффект (Э/S) в зоне централизованного теплоснабжения, в зависимости от срока службы коллекторов, составляет от 200 до 800 руб/м 2 .

Гораздо больший экономический эффект имеют установки теплоснабжения с солнечными коллекторами в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, которые в России составляют свыше 70% ее территории с населением около 22 млн человек. Эти установки предназначены для работы в автономном режиме на индивидуальных потребителей, где потребности в тепловой энергии весьма значительны. В то же время стоимость традиционных топлив намного выше их стоимости в зонах централизованного теплоснабжения из-за транспортных расходов и потерь топлива при транспортировке, т. е. в стоимость топлива в регионе Ц тр включается региональный фактор r р:

где r р > 1 и для различных регионов может изменять свою величину. В то же время удельная стоимость установки C почти не изменяется в сравнении с Ц тр. Поэтому при замене Ц т на Ц тр в формулах

рассчитываемый срок окупаемости автономных установок в зонах, удаленных от централизованных сетей, уменьшается в r р раз, а экономический эффект возрастает пропорционально r р.

В сегодняшних условиях России, когда цены на энергоносители постоянно растут и имеют неравномерность по регионам из-за условий транспортировки, решение вопроса об экономической целесообразности использования солнечных коллекторов сильно зависит от местных социально-экономических, географических и климатических условий.

Солнечно-геотермальная система теплоснабжения

С точки зрения бесперебойного обеспечения потребителя энергией наиболее эффективны комбинированные технологические системы, использующие два и более вида ВИЭ.

За счет солнечной тепловой энергии можно полностью обеспечить потребности в горячей воде в доме в летнее время. В осенне-весенний период от Солнца можно получить до 30% требуемой энергии на отопление и до 60% от потребностей на горячее водоснабжение.

В последние годы активно развиваются геотермальные системы теплоснабжения на основе тепловых насосов. В таких системах, как отмечалось выше, в качестве первичного источника тепла используется низкопотенциальная (20–40 ◦ C) термальная вода или петротермальная энергия верхних слоев земной коры. При использовании тепла грунта применяются грунтовые теплообменники, размещаемые либо в вертикальных скважинах глубиной 100–300 м, либо на некоторой глубине горизонтально.

Для эффективного обеспечения теплом и горячей водой децентрализованных потребителей небольшой мощности в ИПГ ДНЦ РАН разработана комбинированная солнечно-геотермальная система (рисунок 11).

Такая система состоит из солнечного коллектора 1, теплообменника 2, бака-аккумулятора 3, теплового насоса 7 и скважины-теплообменника 8. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией Солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник 2, вмонтированный в бак-аккумулятор 3. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор вмонтирован и электрический нагреватель 6. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) электронагреватель автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

Блок солнечного коллектора эксплуатируется круглогодично и обеспечивает потребителя горячей водой, а блок низкотемпературного напольного отопления с тепловым насосом (ТН) и скважиной-теплообменником глубиной 100–200 м включается в эксплуатацию только в отопительный период.

В цикле ТН холодная вода с температурой 5 ◦ C опускается в межтрубном пространстве скважины-теплообменника и отбирает низкопотенциальное тепло с окружающей горной породы. Далее нагретая в зависимости от глубины скважины до температуры 10–15 ◦ C вода поднимается по центральной колонне труб на поверхность. Для предотвращения обратного оттока тепла центральная колонна снаружи теплоизолирована. На поверхности вода из скважины поступает в испаритель ТН, где происходит нагрев и испарение низкокипящего рабочего агента. После испарителя охлажденная вода вновь направляется в скважину. За отопительный период при постоянной циркуляции воды в скважине происходит постепенное охлаждение горной породы вокруг скважины.

Расчетные исследования показывают, что радиус фронта охлаждения за отопительный период может достигать 5–7 м. В межотопительный период, когда система отопления отключается, происходит частичное (до 70%) восстановление температурного поля вокруг скважины за счет притока тепла от пород вне зоны охлаждения; достичь полного восстановления температурного поля вокруг скважины за время ее простоя не удается.

Солнечные коллекторы устанавливаются из расчета для зимнего периода эксплуатации системы, когда солнечное сияние минимальное. В летний период часть горячей воды из бака-аккумулятора направляется в скважину для полного восстановления температуры в горной породе вокруг скважины.

В межотопительный период вентили 13 и 14 закрыты, и при открытых вентилях 15 и 16 горячая вода из бака аккумулятора циркуляционным насосом закачивается в межтрубное пространство скважины, где по мере спуска происходит теплообмен с окружающей скважину горной породой. Далее охлажденная вода по центральной теплоизолированной колонне направляется обратно в бак-аккумулятор. В отопительный период наоборот вентили 13 и 14 открыты, а вентили 15 и 16 закрыты.

В предложенной технологической системе потенциал солнечной энергии используется на нагрев воды в системе горячего водоснабжения и горных пород вокруг скважины в системе низкотемпературного отопления. Регенерация тепла в горной породе позволяет эксплуатировать систему теплоснабжения в экономически оптимальном режиме.

Солнечные тепловые электростанции

Солнце – значительный источник энергии на планете Земля. Солнечная энергетика очень часто становится предметом самых разнообразных дискуссий. Как только появляется проект новой солнечной электростанции, возникают вопросы об эффективности, мощности, объемах инвестированных средств и сроках окупаемости.

Есть ученые, которые видят в солнечных тепловых электростанциях угрозу для окружающей среды. Использующиеся в тепловых солнечных электростанциях зеркала очень сильно нагревают воздух, что приводит к изменению климата и к смерти птиц, пролетающих мимо. Несмотря на это, в последние годы солнечные тепловые электростанции получают все большее распространение. В 1984 году вступила в строй первая солнечная электростанция около калифорнийского города Крамер Джанкшен в пустыне Мохабе (рис. 6.1). Станция получила название Solar Energy Generating System, или сокращенно SEGS.

Рис. 6.1. Солнечная электростанция в пустыне Мохабе

На данной электростанции солнечную радиацию используют для получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечной тепловой электроэнергии в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно. В настоящее время энергокомпаниями США уже построены солнечные тепловые электростанции общей установленной мощностью более 400 МВт, которые обеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают 2,3 млн баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохабе, имеют 354 МВт установленной мощности. В других регионах мира также скоро должны быть начаты проекты по использованию солнечного тепла для выработки электроэнергии. Индия, Египет, Марокко и Мексика разрабатывают соответствующие программы. Гранты для их финансирования предоставляет Глобальная программа защиты окружающей среды (GEF). В Греции, Испании и США новые проекты разрабатываются независимыми производителями электроэнергии.

По способу производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.

Солнечные концентраторы

Тепловые солнечные электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз и рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать электричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду. Большие зеркала — с точечным либо линейным фокусом — концентрируют солнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Эти системы могут превращать солнечную энергию в электричество с КПД около 15 %. Все тепловые электростанции, кроме солнечных прудов, для достижения высоких температур применяют концентраторы, которые отражают свет Солнца с большей поверхности на меньшую поверхность приемника. Обычно такая система состоит из концентратора, приемника, теплоносителя, аккумулирующей системы и системы передачи энергии. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции — это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества, то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость. Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

Солнечные установки с параболическим концентратором

В некоторых тепловых солнечных электростанциях используются параболические зеркала, которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 ºC и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Солнечная установка с параболическим концентратором

Оценки данной технологии показывают более высокую стоимость вырабатываемой электроэнергии, чем у других солнечных тепловых электростанций. Это объясняется низкой концентрацией солнечного излучения, более низкими температурами. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Солнечная электростанция тарельчатого типа

Солнечные установки тарельчатого типа представляют собой батарею параболических тарелочных зеркал схожих формой со спутниковой тарелкой, которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки (рис. 6.3). Жидкость в приемнике нагревается до 1000 ºС и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

Рис. 6.3. Солнечная установка тарельчатого типа

Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%. Благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей, так и для гибридных, работающих на общую сеть.

Солнечные электростанции башенного типа

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником используют вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор (рис. 6.4, рис. 6.5).

Рис. 6.4. Солнечная электростанция башенного типа с центральным приемником

Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 500 до 1500 ºC. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей вырабатывать электроэнергию по заранее заданному графику.

Рис. 6.5. Солнечная башенная электростанция «Solar Two» в Калифорнии

Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема устройства солнечного пруда
1. Высокая концентрация соли. 2. Средний слой. 3. Низкая концентрация соли. 4. Холодная вода «в» и горячая вода «из»

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли — на поверхности. Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает. Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.

Достоинства и недостатки солнечных тепловых электростанций

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником и солнечные электростанции с параболическими концентраторами оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как солнечные электростанции тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт.

Таблица 6.1 Характеристики солнечных тепловых электростанций

Солнечные параболические концентраторы — на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа с центральным приемником, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер установок тарельчатого типа позволяет использовать их в небольших установках. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником и установки тарельчатого типа позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у электростанций с солнечными параболическими концентраторами. В табл. 6.1 приведены основные характеристики трех вариантов солнечной тепловой электрогенерации.

Классификация и основные элементы гелиосистем

Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивныминазываются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (рис. 3.4)).

Рис. 3.4. Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления “стена-коллектор”: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.

Активныминазываются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

‑ по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);

‑ по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);

‑ по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

‑ по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.

Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.

Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис.3.5. Она включает три контура циркуляции:

‑ первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

‑ второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;

‑ третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Рис. 3.5. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения; 8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.

Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.

Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.

Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

Концентрирующие гелиоприемники

Концентрирующие гелиоприемникипредставляют собой сферические или параболические зеркала (рис. 3.6), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор– устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую.

Плоские солнечные коллекторы (рис. 3.7) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения.

Рис. 3.6 Концентрирующие гелиоприемники: а – параболический концентратор; б – параболоцилиндрический концентратор; 1 – солнечные лучи; 2 – тепловоспринимающий элемент (солнечный коллектор); 3 – зеркало; 4 – механизм привода системы слежения; 5 – трубопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель.

Рис. 3.7. Плоский солнечный коллектор: 1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность; 5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель; 7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.

Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80 °С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе “черного никеля”, “черного хрома”, окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы охлаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м 2).