Применение солнечной энергии

ГЛАВА ТРЕТЬЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ И ВОЗДУХА

Солнечная энергия может быть легко преобразована! в тепловую и во многих странах может обеспечить зна-: чительную долю нагрузки горячего водоснабжения и, отопления помещений. Одним из препятствий для ис­пользования солнечной энергии в странах, расположен­ных на высоких широтах, например в Великобритании,] является большое число дней в зимние месяцы, когда приход солнечной радиации слишком мал.

Наиболее широко известным и освоенным способом преобразования солнечной энергии в тепловую является' применение плоского коллектора для нагрева воздуха,, воды, или других жидкостей. Термин «плоский» явля­ется несколько условным и относится как к различным коллекторам, поглощающая поверхность которых пред­ставляет сочетание плоских, желобообразных и гофри­рованных элементов, так и к различным способам пере-] носа поглощенного солнечного излучения от поверхно­сти коллектора к нагреваемой жидкости.

В последние пятьдесят лет ряд исследователей неза^

висимо создали и испытали коллекторы различного типа; первые работы были выполнены в США [1, 2], Великобритании [3], Австралии [4], ЮАР [5] и Израи­ле [6]. Испытания проводились в районах-с различным приходом солнечной радиации при использовании раз­личных методик испытаний. Главная цель этих испыта­ний заключалась в том, чтобы преобразовать в тепло как можно большую часть солнечного излучения при наибольшей достижимой температуре и наименьших за­тратах на материалы и изготовление [7].

В Англии важное исследование в этой области было выполнено Хейвудом, который начал работу в 1947 г. с проведения экспериментов по определению характе­ристик плоского коллектора [3]. Первые опыты Хей­вуд провел на небольшом коллекторе квадратной формы площадью 0,093 м2. Собираемое тепло отводилось во­дой, протекающей в каналах, припаянных с обратной стороны к зачерненной медной пластине; количество тепла, поглощенного в единицу времени, определялось при различном числе прозрачных покрытий и различных температурах поглощающей пластины. Несколько упро­щенный теоретический анализ, выполненный Хейвудом в то время, все еще используется при проектировании плоских коллекторов для бытовых целей.

Наряду с этими исследованиями принципов собира­ния тепла Хейвуд разработал солнечный коллектор площадью около 1 м2, который в течение многих лет удовлетворительно работал в его доме, примерно в 15 км к юго-востоку от Лондона. Коллектор быд изго­товлен из двух листов рифленой оцинкованной стали и установлен в системе обычного типа, работающей по принципу термосифона. Водяная емкость коллектора равнялась 22,5 л, вместимость бака-аккумулятора бы­ла примерно такой же, так что общее количество воды в системе составляло около 45 л на 1 м2 поверхности коллектора. Данное соотношение между площадью кол­лектора и количеством воды в системе отчетливо про­слеживалось и в последующих экспериментах, выпол­ненных во многих странах. Основные выводы Хейвуда, которые до сих пор сохранили свое значение, формули­руются следующим образом:

простота конструкции должна быть неотъемлемой характерной чертой установок для нагрева воды или отопления помещений;

в Великобритании теплопроизводительность сол­нечных установок существенно изменяется изо дня в день;

удовлетворительная эффективность работы солнечно­го коллектора имеет место только при продолжительной и интенсивной прямой радиации. В периоды облачности! происходит сильное снижение эффективности работы ■ солнечного коллектора; хотя диффузная радиация мо-| жет быть частично эффективной, она значительно мень - і me прямой.

Хейвуд также отметил, что измерение падающей сол-; нечной радиации, которая редко бывает одинаковой да­же в течение двух или трех дней подряд, превращает эксперимент в изнурительную работу.

В Южной Флориде, США, в конце 30-х годов обес­печение горячей водой коттеджей и многоквартирных домов, а также небольших производственных помеще­ний осуществлялось в основном за счет солнечной энергии. Обзор, выполненный Скоттом в 1974 г. [8], показал, что почти все системы работают на принципе термосифона (см. гл. 8), а солнечные коллекторы со­стоят из медных труб, припаянных к медным листам, которые покрыты черной матовой краской и помещены в корпус из оцинкованной стали. Информация постав­щиков и потребителей подтвердила, что непосредственно сами коллекторы оказались весьма долговечными, а не­которые бесперебойно проработали свыше 30 лет. Даже отрицательная температура воздуха, изредка наблюдав­шаяся в районе Майами, не приводила к выходу из строя коллекторов, сделанных из мягкой меди. Отказ; потребителей от дальнейшего использования своих сол­нечных установок был обусловлен главным образом на­рушением работы, связанным с утечкой воды из основ­ных баков-аккумуляторов, недостаточно высокой темпе­ратурой воды и значительными затратами, требуемыми при замене баков-аккумуляторов.

Проблема герметичности баков появилась в связи с, коррозией, вызванной сочетанием в установке медных труб коллекторов и стальных баков-аккумуляторов. Увеличение потребления горячей воды в быту, связан­ное с неуклонно растущим применением стиральных и посудомоечных машин, привело к тому, что многие си­стемы перестали обеспечивать потребность в горячей воде. Этот опыт оказался весьма полезным для после­дующих разработок конструкции коллектора и системы в целом.

Большой практический опыт был накоплен в 50-е го­ды в Австралии [4]. Впоследствии Австралийская на­учно-техническая организация по промышленным и ис­следовательским работам (CSIRO) опубликовала ру­ководство по основам проектирования и конструирова­ния солнечных водонагревательных установок [9]. От­мечалось, что в то время промышленное производство солнечных водонагревателей получило в стране широкое развитие, поскольку это был практически приемлемый способ удовлетворения бытовых потребностей в горячей воде при умеренных затратах. Несложные детали обо­рудования, разработанного CSIRO и другими органи­зациями, были стандартизованы и могли быть купле­ны у поставщиков по всей Австралии. Стоимость этих установок была выше стоимости традиционных устано­вок, но эксплуатационные и ремонтные издержки были значительно меньше. Исследования в Австралии также показали, что автономная солнечная установка может обеспечить потребности средней семьи в горячей воде в течение всего года, хотя более удобно, а в некоторых районах и более экономично комбинировать такие уста­новки с традиционными источниками тепла. В то время многие коммерческие фирмы начали изготавливать и поставлять солнечные водонагреватели, но большинст­во из фирм не уцелело, в основном из-за малого спро­са на некомплектное солнечное оборудование. Выжили те немногие фирмы, которые поставляли полностью укомплектованные системы, и к середине 70-х годов они захватили лидерство в этой области, создав новые системы на основе многолетнего практического опыта.

ПЛОСКИЙ КОЛЛЕКТОР

Большинство плоских коллекторов состоит из пяти основных элементов (рис. 3.1). К ним относятся:

1. Прозрачное покрытие из одного или более слоев стекла или пластмассовой пленки.

2. Трубы или каналы, которые изготовлены как одно целое вместе с поглощающей пластиной или присоеди­нены к ней и по которым протекает вода, воздух или другой теплоноситель.

3. Поглощающая пластина, обычно металлическая, с черной поверхностью, хотя можно использовать мно-

ет их от атмосферны?| воздействий.

Элементы 1 и 4 мож| но исключить из уст] ройств, предназначенные для небольшого повыше ния температуры, как, на­пример, при нагреве воды в плавательных бассей нах. Некоторые конструк ции солнечных водо - Ї воздухонагревателей продемонстрированы на рис. 3.2 Гофрированный оцинкованный стальной лист широке используется во всем мире; на рис. 3.2,а и б показа ны два способа его применения. Один из примеров про] стейшего практического использования обычных стан' дартных панельных радиаторов [5, 10] показан на рис 3.2, в (см. гл. 8). Способы присоединения и креплени - труб к плоскому или гофрированному листу показані] на рис. 3.2, а и д, тогда как на рис. 3.2, в изображен конструкция «труба в листе», представляющая^ собо! прокатно-сварную панель, в которой трубы «образова ны» в листе, обеспечивая хороший тепловой контакт между листом и трубой. Эффективный недорогой KOjd лектор, показанный на рис. 3.2, ж, работает по прин ципу обычного охлаждающего теплообменника. Дв' различных типа поверхности солнечного воздухонагре вателя показаны на рис. 3.2, зим,

Основные области применения плоских коллекторо можно разделить на следующие три группы:

нагрев воды в плавательных бассейнах, где требу ется весьма небольшое повышение температуры. В это» случае коллектор не нуждается в прозрачной изоляцш или тепловой изоляции днища и боковых стенок [11 Высокий расход теплоносителя обусловлен необходим!! стью ограничить, повышение температуры двумя граду сами;

28

нагрев для бытовых и других целей, где требуемая температура не превышает 60° С. В этом случае необ­ходимы теплоизоляция днища и по крайней мере одно прозрачное покрытие;

процессы, требующие подвода тепла при температу­рах значительно выше 60° С, в том числе для получения механической энергии. В данном случае необходимы бо­лее тонкие конструктивные решения, чтобы снизить теп­ловые потери коллектора в окружающую среду.

Многообразие плоских коллекторов, показанных на рис. 3.2, свидетельствует о том, что плоский коллектор является сравнительно простым элементом оборудова­ния. В идеальном коллекторе все падающее на него из­лучение должно преобразовываться в тепло. На прак­тике полезное тепло Q всегда меньше падающей сол­нечной радиации GK Это обусловлено различными фак­торами и подробный анализ тепловых характеристик плоского коллектора очень сложен. Например, потери топла излучением возрастают в четвертой степени при увеличении абсолютной температуры и становятся все олее существенны по мере того, как температура на-

29

греваемой жидкости превышает температуру окружаю^ щей среды более чем на 25° С. Первый подробный анаі лиз этих факторов был выполнен Хоттелем и Вёрцем в 1942 г. [2]. Однако сравнительно простой анализ дает весьма полезные результаты и показывает, как связань между собой основные переменные и как они влияют нг режим работы коллектора.