Индивидуальные солнечные установки

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОТЫ

Необходимость аккумулирования теплоты в гелиоси­стемах обусловлена несоответствием во времени и по ко­личественным показателям поступления солнечной ради­ации и тецлопотребления. Поток солнечной энергии изме­няется в течение суток от нуля в ночное время до максимального значения в солнечный полдень (рис. 19, с) -

Рис. 19. Годовой (а) и суточный (б) ход поступления солнечной энергии (Е) и тепловой нагрузки ((}), отопления и горячего водо­снабжения

Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре — январе, а поступление солнечной энергии в этот период минимально (рис. 19, а), для обеспечения теплопотребления (<2) необходимо улавливать солнеч­ной энергии (Е) больше, чем требуется в данный момент (Е1), а ее избыток (£2) накапливать в аккумуляторе теплоты. Запас энергии в аккумуляторе может быть рас­считан на несколько часов или суток при краткосрочном

Аккумулировании и на несколько месяцев — при сезонном аккумулировании. Следует отметить, что применение се­зонных аккумуляторов пока экономически нецелесооб­разно. В целом же применение аккумулятора теплоты повышает эффективность гелиосистемы и надежность теплоснабжения.

Низкотемпературные системы аккумулирования теп­лоты охватывают диапазон температур от 30 до 100 °С и используются в системах воздушного (30 °С) и водя­ного (30—90 °С) отопления и горячего водоснабжения (45—60 °С). 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 (ТАМ):

Аккумуляторы емкрстного типа, в которых использу­ется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) акку­мулирующего материала без изменения его агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные ра­створы солей и др.);

Аккумуляторы фазового перехода вещества, в кото­рых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;

Аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фо­тохимических реакциях.

В аккумуляторах первой группы происходят последо­вательно или одновременно процессы нагревания и ох­лаждения теплоаккумулирующего материала либо непо­средственно за счет солнечной энергии, либо через теп­лообменник. Этот способ аккумулирования тепловой энергии наиболее широко распространен. Основным не­достатком аккумуляторов этого типа является их боль­шая масса и как следствие этого — потребность в боль­ших площадях и строительных объемах в расчете на 1ГДж аккумулируемой теплоты.

Сравнение различных теплоаккумулирующих матери­алов приведено в табл. 4.

Требования к теплоаккумулирующим материалам: ... высокая теплоемкость и энтальпия фазового перехода

При достаточно высокой теплопроводности; высокая плот, ность материала и его химическая стабильность; безо­пасность и нетоксичность; низкая стоимость.

Система аккумулирования тепловой энергии характе­ризуется следующими параметрами: теплоаккумулирую­щей способностью или удельной энергоемкостью, ГДж/м3; диапазоном рабочих температур, °С; скоростью подвода и отвода теплоты при зарядке и разрядке акку-* мулятора, кДж/с.

Аккумуляторы теплоты емкостного типа (рис. 20) — наиболее широко распространенные устройства для ак­кумулирования тепловой энергии. Теплоаккумулирующую способность или количество теплоты (кДж), которое может быть накоплено в аккумуляторе теплоты емкост­ного типа, определяют по формуле

Ф = тСр(Т2 — 7^), где пг — масса - теплоаккумулирующего вещества, кг;

Ср — удельная изобарная теплоемкость вещества, кДж/ /(кг-К); Т и Т2 — средние значения начальной и конеч­ной температур теплоаккумулирующего вещества, °С.

Наиболее эффективный теплоаккумулирующий мате­риал в жидкостных солнечных системах теплоснабже­ния— это вода. Для сезонного аккумулирования тепло­ты перспективно использование подземных водоемов, грунта, скальной породы и других природных образова­ний.

/ — теплообменник; 2 — холодная вода; 3 — горячая вода; 4 — теплоизолиро­ванный бак (бункер); « — слой гальки; 6—решетка; 7, « — подвод (отвод)

Воздуха

В крупномасштабных системах аккумулирования теп­лоты достаточно успешно используют железобетонные и стальные резервуары вместимостью до 100 тыс. м3, в которых горячая вода, обладающая значительной теп­лоемкостью [4,19 кДж/(кг-°С)], может сохранять при температуре 80—95 °С до 8 тыс. ГДж теплоты. Они дос­таточно просты в эксплуатации, но требуют больших ка­питаловложений. Целесообразно их использование сов­местно с тепловыми насосами, в этом случае их тепло­аккумулирующая способность может удвоиться за счет более глубокого (до 5°С) охлаждения воды в резервуаре.

Положительный опыт в сезонном аккумулировании теплоты накоплен в Швеции, где успешно эксплуатиру­
ются крупные гелиотеплонасосные системы теплоснабже­ния целых поселков. Однако для индивидуального потребления наибольший интерес представляют аккумуля­торы теплоты для небольших солнечных установок го­рячего водоснабжения и отопления.

На рис. 21 показаны примеры конструктивного испол­нения баков аккумуляторов вместимостью 200—500 л, применяемые в водонагревательных установках с есте-

Ственной и лринудительной циркуляцией. Как правило, используется вертикальный стальной бак высотой в 3—

5 раз больше его диаметра для обеспечения температур­ного расслоения воды. Тепловые потери бака снижаются путем применения теплоизоляции типа стекловаты тол­щиной, не менее 50 мм. Внутренняя поверхность бака, контактирующая с водопроводной водой, должна быть защищена от коррозии. Для этого бак должен быть из­

Готовлен из нержавеющей стали, иметь эмалевое покры­тие или анод из магния или анодную защиту с внешним источником электричества. В баке могут быть предусмот­рены горизонтальные перегородки (рис. 21, а и г), по­плавковый клапан для подвода холодной воды (рис. 21, б) и труба для ее поступления в нижнюю часть бакга, теплообменник в двухконтурной системе для подвода теплоты от КСЭ (рис. 21, в и г), электронагреватель и теплообменник для отвода теплоты в систему отопле­ния (рис. 21, г). Перегородки разделяют бак на секции с различными уровнями температуры воды по высоте, так что в верхней части бака вода имеет более высокую температуру, чем в нижней. Это повышает эффектив­ность аккумулирования теплоты. В схемах а и б тепло­носителем в КСЭ служит вода, а в схемах виг —анти­фриз, поэтому используется теплообменник для переда­чи теплоты от антифриза к воде. .

Галечный аккумулятор теплоты (рис. 22). В солнеч­ных воздушных системах теплоснабжения обычно при­меняются галечные аккумуляторы теплоты, представляю­щие собой емкости круглого или прямоугольного сече­ния, содержащие гальку размером 20—50 мм в виде насадки из плотного слоя частиц. Аккумуляторы этого ти­па обладают рядом достоинств, но по сравнению с во­дяным аккумулятором в этом случае требуется больший объем. Галечный аккумулятор может располагаться вер­тикально или горизонтально.

Горячий воздух, поступающий днем из солнечного коллектора в аккумулятор, отдает гальке свою теплоту, и таким образом происходит зарядка аккумулятора. При разрядке аккумулятора ночью или в ненастную погоду воздух движется в обратном направлении и отводит теп­лоту к потребителю.

При одинаковой энергоемкости объем галечного ак­кумулятора теплоты в 3 раза' больше объема водяного бака-аккумулятора. Так, при массе гальки 10 т, пороз - ности слоя е=0,4 и плотности частиц 1850 кг/м3 требу­ется объем галечного аккумулятора, равный У=т/р (1— е)=9 м3. Приняв, что при разрядке аккумулятора на­чальная температура частиц гальки равна 65°С, а их конечная температура 21 °С, что вполне реально при воз­душном отоплении с помощью вентиляционной системы, получим количество теплоты, которое можно использо­вать для отопления из аккумулятора [удельная теплоем­
кость гальки с=0,88кДж/(кг-К) или 1630кДж/(м3-К)]:

<3=== тС ( Тнач Ткон

) == Ю4-0,88(65—21) = 387,2 МДж. При часовой тепловой нагрузке 20 МДж/ч этого запаса энергии хватит на 19,36 ч.

Аккумуляторы теплоты фазового перехода. Основное преимущество теплоты с фазовым переходом — высокая

Удельная плотность энергии, благодаря чему существен­но уменьшаются масса и объем аккумулятора по срав­нению с емкостными аккумуляторами.

Для низкотемпературных солнечных систем тепло­снабжения в аккумуляторах фазового перехода наибо­лее пригодны органические вещества (парафин и неко­торые жирные кислоты) и кристаллогидраты неоргани­ческих солей, например гексагидрат хлористого кальция СаЙг'бНгО или глауберова соль Ка2804-ЮН20, плавя­щиеся при 29 и 32°С соответственно. При использова­нии кристаллогидратов возможно разделение смеси и ее переохлаждение, вызывающие нестабильность этих не­дорогих веществ и снижающие число рабочих циклов. Для устранения этих недостатков к теплоаккумулирую­щему материалу добавляют специальные вещества, кото­рые обеспечивают равномерную кристаллизацию распла­ва и способствуют длительному использованию материа­ла в многократных циклах плавления — затвердевания. Для организации эффективного теплообмена использу­ются оребренные поверхности, капсулы, заполненные теплоаккумулирующим материалом, а также теплопро­водные матрицы (ячеистые структуры). Это необходимо в первую очередь при использовании органических ве­ществ, имеющих очень низкий коэффициент теплопро­водности [0,15 Вт/(м.°С)}.