СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Обобщением простейших нагревателей воды являются так называемые солнечные коллекторы (СК) , которые, в принципе, пригодны не только для нагрева воды, но и воздуха или другого теплоносителя. В настоящее время в мире наибольшее распространение получили в низкотемпературных СЭУ плоские СК. Эти СК отличаются от рассмотренных в п.4.2 простейших водонагревателей типа представленного на рис.4.1 д тем, что в них нагревается сразу не весь объем жидкости, а только часть его. Далее эта часть жидкости накапливается в отдельном резервуаре, что позволяет существенно повысить эффективность работы подобной СЭУ. На рис.4.2 представлен общий вид обычного низкотемпературного коробчатого плоского СК общего назначения, а на рис. 4.3 поперечный разрез по подобному СК.

Конструктивно СК состоит из следующих основных элементов: корпус СК, теплоизоляция, теплопоглащпющие материалы и трубы (каналы) для теплоносителя, называемые в целом абсорбером. И, наконец светопрозрачного покрытия. Для повышения эффективности работы СК он может оснащаться концентраторами СИ, как это показано на рис.4.3.г.

Получение низкотемпературного тепла можно осуществить с помощью плоских СК, работающих на принципе тепличного эффекта. Физическая суть этого эффекта заключается в том, что солнечное излучение, падающее на поверхностьСК, покрытого прозрачным для солнечных лучей материалом, практически без потерь проникает внутрь СК и, попадая на теплоприемник, нагревает его, а процесс рассеивания тепловой энергии теплоприемника минимизирован. Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спектральном интервале 0,4 мкм -1,8 мкм, то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95%. Расположенный в нижней части СК теплоприемник представляет собой абсорбирующее покрытие с коэффициентом поглощения солнечного излучения до 90%. Поглощая прямое солнечное излучение, это абсорбирующее покрытие даже без верхнего стекла может нагреваться в зависимости от мощности падающего излучения до (50-80)0 С. Нагретое до таких температур тело излучает тепловую энергию, основная мощность которого находится в инфракрасном диапазоне.

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.2 Общий вид плоского коллектора солнечной энергии: 1 - корпус; 2 - теплоизоляция; 3 - лучепоглощающая поверхность;

4 - двухслойное остекление; 5 - патрубок для подвода теплоносителя; 6 - патрубок для отвода нагретого теплоносителя.

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Г

подпись: гГ)

Рисунок 4.3 Солнечные плоские коллекторы: а) адсорбер - трубки в металлическом листе; б) адсорбер - прямоугольные каналы; в) СК с двойным остеклением; г) СК с концентраторами СИ;1 - корпус СК; 2 -

Теплоизоляция; 3 - теплопроводящие трубки; 4 - защитное остекление; 5 - концентраторы СИ.

Для спектрального диапазона, соответствующего инфракрасному излучению, стекло обладает низким коэффициентом пропускания и приводит к тепличному эффекту, заключающемуся в накоплении энергии под стеклом и увеличении температуры теплоприемника до 160°С, если преобразованная энергия не выводится из СК. В рабочем режиме накопленное тепло расходуется на нагрев воздуха или воды, которые циркулируют через СК. В средней полосе Европы в летний период производительность таких СК может достигать 50-60 литров воды, нагретой до 60°С -70°С с каждого квадратного метра в день. К. п. д. солнечного коллектора составляет порядка 70% и зависит от температуры окружающей среды, плотности потока солнечной энергии и температуры, до которой необходимо нагревать воду в коллекторе. С уменьшением температуры, до которой необходимо нагреть воду, циркулирующую через коллектор, к. п.д. коллектора увеличивается.

Однако стандартная температура нагреваемой воды составляет 50° С. Для СК основной технической характеристикой является объем воды или воздуха, нагретых до заданной температуры в течение светового дня квадратным метром коллектора. Этот параметр зависит от времени года и географического положения места, в котором устанавливаются коллекторы. Эффективность солнечного коллектора может быть увеличена примерно на 20% при использовании на теплоприемной поверхности селективно поглощающих покрытий, которые обладают свойством хорошо поглощать видимую часть солнечною спектра и практически не излучать в инфракрасной области спектра.

При заданной величине СИ (прямого, диффузного и отраженного для плоского СК) эффективность процесса преобразования СИ в тепло будет зависеть от произведения четырех КПД всех основных элементов СК. Иными

СИ

Словами обЩиЙ коэффициент полезного использования СИ в СК, т. е. цСК будет равен

ЦскСИ =Цспп • Цтм • Цти • Лк, (4.1)

Где Лспп, % - коэффициент пропускания СИ через свето-прозрачное

Покрытие; Лтм, % - КПД теплопоглащающего материала абсорбера; Лти, % - КПД теплоизоляции и щ % - КПД корпуса СК. Наиболее характерные материалы четырех составляющих плоского СК приведены ниже в таблице 4.1.

На рис.4.4 представлена схема и конструктивное исполнение одноконтурного СК для нагрева воды с естественной ее циркуляцией или схема пассивного теплоснабжения. В нижнюю часть бака-аккумулятора здесь подводится холодная вода (ХВ), а из его верхней части к потребителям отводится нагретая вода (НВ). В СК под воздействием СИ вода из нижней части бака поступает с температурой Т1, а выходит из СК с температурой Т2 > Т1.

Свето­

Прозрачное

Покрытие

Лспп

Теплоглощаю - щий материал

Лтм

Тепло­

Изоляция

Лтм

Корпус СК

Лк

Специальное

Силиконовое

Стекло

68

Медь и ее сплавы

54

Пенополуретан

61

Алюминий и его сплавы

77

Пленочные материалы с повышенным светопропуска - нием

20

Медные трубки с алюминиевы­ми ребрами

17

Стекловата

39

Листовая сталь с

Антикоррозий­

Ным

Покрытием

23

Пластик

12

Алюминий и его сплавы

12

-

-

-

-

-

-

Нержавеющая

Сталь

12

-

-

-

-

-

-

Пластик

3

-

-

-

-

Таблица 4.1 Характеристики полезного использования СИ в

Составляющих СК в %

подпись: составляющих ск в %

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.4 Структурная схема с СК с естественной циркуляцией воды: 1 - СК; 2 - бак-накопитель нагретой воды (НВ); 3 - отводящая труба; 4 - подводящая труб а холодной воды (ХВ).

Вследствие этого в системе возникает разность давлений (Ар, в Па), которая вызывает естественную циркуляцию воды в СЭУ, т. е.

Ар=ё'Н'(РгР2), (4.2)

Где £=9,81 м/с ; Н=У1 - У2 (м) - разность высотных отметок на входе

Нагретой воды в бак-аккумулятор и на входе холодной воды в низ СК; р1 и р2, соответственно, плотность холодной воды внизу бака-аккумулятора (Т1) и на входе нагретой воды в бак-аккумулятор (Т2). Чем больше разность Т1 и Т2 и больше Н, тем интенсивность естественной циркуляции воды в СЭУ выше.

Кроме того, обязательным условием эффективной работы подобной СЭУ является условие, чтобы отметка верхней части СК (У2 ) была бы не выше дна бака (Уд).

Подобное условие имеет важное значение не только для обеспечения нормальной циркуляции воды в период наличия СИ в дневное время, но и в периоды его отсутствия для предотвращения обратной циркуляции воды в СЭУ.

Подобные установки весьма просты в изготовлении и эксплуатации и широко распространены во всем мире и, особенно, в странах с теплым климатом. В условиях же холодного климата в СК целесообразно использовать не одноконтурную, а двухконтурную схему. В ней в качестве основного теплоносителя, нагреваемого в СК может служить любая незамерзающая химически неактивная жидкость (смесь воды с этиленом или пропиленом, глизантин (смесь воды с глицерином) и другие). Пример подобной СЭУ представлен на рис.4.5, где внутри бака - аккумулятора помещен теплообменник.

Дополнительным преимуществом двухконтурной схемы является и отделение пресной горячей воды, используют в быту или для хозяйственно­бытовых нужд от незамерзающего теплоносителя в СК, содержащего иногда и токсические вещества.

В целом же следует отметить, что подобные СЭУ, как правило, предназначены для использования маломощных или автономных потребителей (отдельные дома, коттеджи, хозяйственные объекты сельского хозяйства, фермы, скотные дворы и т. д.).

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.5 Вариант конструкции солнечного нагревателя воды с естественной циркуляцией: 1 - термостат; 2 - горячая вода; 3 - бак горячей воды; 4 - расширительный бак; 5 - горячий теплоноситель; 6 -

Теплообменник; 7 - подвод холодной воды; 8 - обратная труба; 9 - коллектор; 10 - электронагреватель

Для системы горячего водоснабжения крупных потребителей более эффективно использовать СЭУ на базе СК с принудительной (насосной) циркуляцией воды или активные водонагреватели.

Их основное отличие от пассивных заключается в наличии в них насоса для принудительной подачи холодной воды в СК и далее в бак-аккумулятор.

На рис.4.6 и 4.7 представлены структурные схемы активной схемы горячего водоснабжения одноконтурные и двухконтурные. Естественно, что

170

Конструктивно эти установки гораздо более сложны, чем пассивные системы горячего водоснабжения.

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.6 Солнечная водонагревательная установка с принудительной циркуляцией: 1 - солнечный коллектор; 2 бак-аккумулятор; 3 - насос; 4 - клапан; ХВ и ГВ - холодная и горячая вода

Рисунок 4.7 Двухконтурная схема водонагревательной установки: 1 - солнечный коллектор; 2 - теплообменник; 3 - аккумулятор горячей воды; 4 - дублер (газовый котел); 5 - насос; 6 - расширительный бак; 7 - автоматический смесительный клапан ; ХВ и ГВ - холодная и горячая вода

Для повышения эффективности подобных систем холодная водв подается насосом на вход СК из нижней части бака, а нагретая вода поступает в верхнюю часть бака. Отбор воды для потребителя также осуществляется из верхней части бака. При этом, чем ниже общая средняя температура воды в баке, тем выше КПД СК и его теплопроизводительность.

Однако, получаемая в подобных системах не высокая температура воды не всегда удовлетворяет требующиеся запросы потребителей из-за необходимости реализации высокого КПД и теплопроизводительности СК в целом.

В этом случае, базируясь на мировой опыт, в соответствие с которым СК целесообразно покрывать не более 80% всей потребности в горячей воде, в подобные СЭУ обычно включается система дополнительного подогрева воды (ДПВ). Например, электроподогрев или топливный котел.

В соответствие со сказанным выше на рис. 4.8 представлены активные схемы СЭУ с горячим водоснабжением и включением в них ДПВ: схема а) - ДПВ находится в верхней части бака, схема б) - ДПВ выполнен за пределом бака и подключен последовательно с ним в системе горячего водоснабжения.

Схема а) достаточно проста в конструктивном исполнении. Однако, вследствие повышения средней температуры в баке снижается эффективность работы СК в целом. Схема б) в этом случае наиболее предпочтительна. Основными энергетическими показателями эффективности технологического цикла обычного плоского коллектора является КПД его теплового цикла, определяемой по формуле для СК с площадью БСК(м ):

-т'йёад{

'СЁ

Ц ск= АТж ^ - (43)

Д т ïiëаg^ _ 2

Где ^ сЁ, Вт - полезная теплопроизводительность СК; NМЕЕ, Вт/м - мощность СИ, поступающего на ПП в виде СК, произвольно­
ориентированного в пространстве. Полезная тепловая мощность СК () может быть найдена по формуле:

(4.4)

подпись: (4.4)КГ - а-т - АЫск(Тск-Тос),

Где, Вт/м2 - мощность СИ, поступающего на СК; т, о. е. - пропускная способность светопропускающей панели СК (см. выше); а, о. е. -

Величину Ысе можно найти и по следующей формуле:

подпись: величину ысе можно найти и по следующей формуле:Поглощающая способность абсорбера СК (см. выше); ЛЫСК - коэффициент тепловых потерь в СК, Тск и ТоС,° К - средняя температура теплоносителя в СК и окружающей среды, соответственно.

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.8 Схемы подвода теплоты от дополнительного источника энергии

=т С • (Т2-Т]), (4.5)

Где т, кг/с - массовый расход теплоносителя в СК; Ср (Вт •ч/кг °С) - удельная теплоемкость теплоносителя; Т2 и Т] , 0К - температура теплоносителя на выходе и на входе СК.

Подставив (4.4) в (4.3) получаем

Цск=Кп • т • а-Шт • = Цо - ШЯЁ /ск(тяё>°т >NГ > Зсё ), (4.6)

N^ • 8М

Где цо, о. е. - эффективный оптический КПД СК. Из (4.6) следует, что чем выше N^ (1), тем выше цск. Это означает также, что в течение суток цск будет меняться в зависимости от N^ (1). Из анализа (4.6) и (4.5) следует также, что КПД СК зависит от Тос (0. От конструктивных особенностей СК и используемых в нем материалов, массового расхода теплоносителя в СК и его температура.

При изменении Nс 300 до 1000 Вт/м2 Цск увеличивается с 32% до 59%. При увеличении Тос с 10 до 300С цск также увеличивается при снижении температуры теплоносителя на входе СК.

КПД СК существенно зависит от материала абсорбера. С увеличением коэффициента теплопроводности материала, из которого изготовлен абсорбер, растет и КПД СК. Так, для тоЛщиНы материала в 1 мм из меди, алюминия, стали и пластика с коэффициентом теплопроводности в 390, 205, 45 и 0,6 Вт/м2-°С, КПД СК уменьшается и составляет 52, 50, 48 и 22%, соответственно.

Для повышения КПД СК используются специальные селективные покрытия теплопоглащающих поверхностей. Например, тонкие пленки на металлической основе, поглощающие дневной свет и пропускающие инфракрасное (тепловое) СИ: из черного никеля, черного хрома, нанесенные на поверхности из никеля, цинка, олова и меди.

Тем же целям служит и использование вакуумированных трубчатых СК, что позволяет значительно снизить или почти исключить неизбежные потери тепла в СК.

С учетом (4.6) энергетическую характеристику СК можно выразить

Так:

Цск=Цск (хі, АТ, АЫск,$ск)= Ло (х) ДІЇск (хі)/(АТ, N, Бск) (4.7)

Где х1 - обобщенный вектор, описывающий конструктивные особенности СК, а АТ= Тск-Тос. Действительно, конструкция СК существенно влияет на его КПД. Так введение остекления (одно - или двухслойного) снижает общие потери тепла в СК, но и увеличивает потери СИ на входе на абсорбер, т. е. снижает цо и АNСК (см. табл.4.2).

Таблица 4.2 Влияние конструкции СК на его энергетические показатели

Конструкция СК

Ло

АNcк

1

Обычный плоский СК без остекления

0,95

15

2

Обычный плоский СК с однослойным остеклением

0,85

7

3

Обычный плоский СК с двухслойным остеклением

0,75

5

4

СК с селективным покрытием для теплопоглащающей поверхности и однослойным остеклением

0,8

3,5

5

Вакуумированный стеклянный трубчатый СК

0,75

2,0

В графическом виде зависимости Лск (х1, АТ, АNСК, БСК) представлены на рис.4.9 для БСК° 1 ми конструкций СК, описанных в таблице 4.2. Там же в графическом виде показана последовательность расчета КПД СК равного

50% при обычной АТ=400 (для горячего водоснабжения) при N£Е =500

Вт/м для селективного плоского СК с однослойным остеклением. Из рис. 4.9 также следует, что для ЛТ=400 увеличение до 1000 Вт/м2 (например, за счет наличия концентраторов СИ) увеличивает КПД рассмотренного СК примерно на 5%.

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.9 Энергетические характеристики солнечных коллекторов: 1 - коллектор без остекления; 2 - коллектор с однослойным остеклением; 4 селективный плоский коллектор с однослойным остеклением; 5 - стеклянный трубчатый вакуумированный коллектор

І 2 -° N

Из рис.4.9 следует, что в зависимости от /СК в (—^---------------- ) эффективность

Ад

СК по значению т]СК существенно меняется. При малых значениях /СК (до

І 2 -0 N

0, 013--- —^ ) максимальный КПД имеет обычный плоский СК без

Ад

Остекления, обеспечивающий небольшой перепад температур (АТ<]50С). В

Г 2 -° N

Диапазоне /ск до 0,045 —^------ плоский СК с однослойным остеклением более

Ад

Г 2 -0 N

Эффективен, чем с двойным остеклением. Для /ск более 0,025 —^-----------------------

Ад

Наибольшие преимущества имеет вакуумированный стеклянный трубчатый СК. Для летних условий с высокой наружной температурой и большими значениями наиболее перспективны для обогрева бассейнов плоские СК без остекления. На рис. 4.9 также показаны перспективные зоны

Г 2 -0 N

Использования плоских СК: зона А (/ск < 0,03 —^---- ) - обогрев

Ад

Г 2 -0 N г 2 -0 N

Плавательных бассейнов; зона Б (0,03 —^--------- </СК < 0,08 —^----- ) - пригодна

Ад Ад

Г 2 -0 N

Для горячего водоснабжения; зона В (СК > 0,08 —^------------------ ) - эффективна для

Ад

Отопления.

Из (4.6) следует, что цск сильно зависит от прихода СИ в течение суток и года в целом. Особенно заметна эта зависимость в течение суток с учетом синусоидального закона изменения мощности СИ во времени. Эффективность СК также сильно снижается в холодное время года.

Для сопоставительного анализа энергетических характеристик СК, представленных в табл.4.2, на рис. 4.10 и 4.11 представлены предельные

Значения N N и АТ при которых цск°0, а также значения N N и АТ пяти типов СК при цСК=50%=сот1. Эти же характеристики в табличном виде представлены ниже в таблицах 4.3 и 4.4, соответственно.

Обычно для горячего водоснабжения требуется АТ=(20^50)0С, что и показано на рис.4.10 и 4.11. Из них следует, что для средних условий России

СК 2

С Nx £ (300^500) Вт/м наиболее предпочтительны 4 и 5-ы тип СК и, частично, 2-й и 3-й. На весьма узкий диапазон применения 1-го типа СК указывают и данные рис.4.10.

СК

Таблица 4.3 Предельные значения N2 и АТ, соответствующие лСК°0%

Для пяти типов СК из таблицы 4.2

ЩСК, Вт/м2

200

400

600

800

1000

1

12,7

25,3

38,0

50,7

63,3

2

24,3

48,6

72,9

97,1

121,4

3

30

60

90

120

150

4

45,7

91,4

137,14

182,8

228,5

5

75

150

225

300

375

КЕСК, Вт/м2

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.10

СК

Таблица 4.4 Предельные значения и АТ, соответствующие т]СК°50%

Для пяти типов СК из таблицы 4.2

ИхК, Вт/м2

200

400

600

800

1000

1

6

12

18

24

30

2

10

20

30

40

50

3

10

20

30

40

50

4

17,1

34,2

51,4

68,6

85,7

5

25

50

75

100

125

КЕСК, Вт/м2

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.11

4.2.2 Солнечные воздушные или водяные отопительные системы зданий и сооружений

Различают две основные воздушные или водяные системы солнечных отопительных систем (СВОС) зданий и сооружений: пассивные и активные. В пассивных СВОС теплота от СИ аккумулируется самими конструкциями зданий и сооружений, а движение воздуха как теплоносителя осуществляется за счет его конвекций без применения принудительной вентиляции воздуха. В активных же СВОС зданий и сооружений помимо усложнения самой конструкции СВОС появляются насосы или вентиляторы для принудительной подачи теплоносителя - воздуха во внутренние помещения зданий и сооружений и систему автоматического контроля и управления всей СВОС. Для наилучшего использования преимуществ двух основных ПСВОС возможна и реализация энергетического комплекса, включающего в себя элементы обЩиХ систем.

При этом, естественно, что эффективно подобная СВОС может работать только в специально спроектированных зданиях и сооружениях, имеющих минимум тепловых потерь, а также использующих и высоко экономические бытовые энергопотребляющие приборы и устройства. Например, высокоэкономичные осветительные приборы с малым потреблением электроэнергии. В противном случае эффективность подобных СВОС будет невелика. Указанное деление СВОС на пассивные и активные весьма условно, так как и в пассивных СВОС могут применяться вентиляторы для принудительной циркуляции воздуха. Эти термины (пассивные и активные СВОС) более характеризуют то, что энергия СИ в пассивных СВОС аккумулируется непосредственно в теплых помещениях, а в активных энергия СИ преобразуется в тепло вне отапливаемых помещений в солнечных коллекторах.

Системы воздушного или водяного отопления обеспечивают температуры, соответственно, до 30° С и (30^90)°С. В целом же, низкотемпературные системы с аккумуляторами тепла обычно работают в диапазоне от 300 до 1000 С.

Пассивные СВОС (ПВОС) имеют простую технологическую конструкцию, но могут обеспечить до 60 % всей отопительной нагрузки потребителя. Можно выделить два основных типа ПВОС. Системы с прямым (открытым) использованием СИ, поступающего через остекленные поверхности внутрь сооружения, конструкции которого являются непосредственными приемниками СИ и аккумуляторами теплоты. Эти системы наиболее просты, но имеют сильную зависимость теплового режима от прихода СИ во времени (см. рис. 4.12 а).

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.12 Пассивные системы отопления зданий: а - с прямым улавливанием СИ через стекла; б - стенка А. Е.Моргана без циркуляции воздуха; в - стенка Тромбла - Митчелла с циркуляцией воздуха; 1 - оконные стекла; 2 - массивные стенки - теплоаккумуляторы; 3 - обычные стены помещений; 4 - половые перекрытия

В закрытых ПСВОС поток СИ нагревает ту или иную конструкцию служащую одновременно мощным аккумулятором теплоты, которая накапливается в них в периоды значительных величин прихода СИ и затем постепенно расходуется во времени, обеспечивая требуемый уровень обогрева сооружения. Например, ПСВОС, предложенная в 1961 г. А. Е.Морганом: днем СИ нагревает массивную стену сооружения, а в периоды отсутствия СИ аккумулированное тепло нагревает воздух во внутренних помещениях (см. рис. 4.12 б). Значительно более эффективными оказались предложения в виде теплонакопительной стены ТготЬ1е-МюЬе1 с тепловой циркуляцией воздуха вокруг этой стены, в том числе и принудительной (см. рис. 4.12 в). Для лучшего использования дневного СИ в ПСВОС эффективно использование различных специальных аккумуляторов тепла с разным циклом времени цикла аккумуляции (вплоть до сезонного перераспределения СИ во времени).

Используемые в ПСВОС аккумуляторы по виду физико-химических процессов, протекающих в них можно разделить на следующие три вида:

1. Аккумуляторы емкостного типа, использующие естественную теплоемкость материала-аккумулятора без изменения его физического или агрегатного состояния: вода, природный камень (гравий, галька, водные растворы солей и т. д.). Этот способ наиболее прост технологически и наиболее распространен в ПСВОС. Для водонагревательных энергоустановок и жидкостных систем отопления лучшие показатели имеет вода, а для воздуШнЫх отопительных систем - галька, гравий и т. д. Однако последние требуют значительно большего объема и площади по сравнению с водяным аккумулятором (соответственно, в 3 1,6 раза).

Количество теплоты ЭАКИ (кДж), которое можно аккумулировать в подобных системах можно найти по формуле

Эаки = т СрТ - Т), (4.8)

Где т, кг - масса теплового аккумулятора; Ср, кД0ж - удельная

Кг • С

Изобарная теплоемкость вещества-аккумулятора, Т2 и Т], 0К - среднее

Значение конечной и начальной температуры аккумулятора. Примеры

Значений Ср в порядке их убывания: вода - 4,19 кД0ж ; древесина - 1,55

Кг • 0 С

КДж ; железобетон - 1,08 кДж ; бетон - 1,04 кДж ; галька - 0,86 кДж ;

Кг ^ С кг ^ С кг ^ С кг ^ С

Природный камень, кирпич, сухой песок и сухая земля - 0,83 кД0ж.

Кг • 0 С

2. Аккумуляторы на основе использования фазового перехода вещества (жидкое - твердое), в которых используется теплота плавления (твердения) вещества. Например, парафин, лед, гидраты солей неорганических кислот и т. д.

3. Аккумуляторы энергии, основанные на выделении - поглощении тепла при обратимых химических и фотохимических реакциях.

В качестве примера на рис.4.13 представлен разрез по солнечному дому с прямым улавливанием СИ, конвективным контуром для нагрева воздуха и аккумуляцией теплоты в слое природных камней.

ПСВОС весьма просты в эксплуатации. Однако, учитывая сильную зависимость их эффективности от изменения СИ во времени, в них должны присутствовать некоторые простые устройства для регулирования поступления СИ в сооружение во времени. Например, летом - введение большого козырька крыши. Для летних условий наличие обычных регулирующих заслонок в системах циркуляции воздуха и т. д.

ПСВОС эффективны, как это было сказано ранее только при реализации сооружений с соблюдением в них условий по максимальному использованию СИ и энергосбережению.

В том числе: ориентация двускатной крыши и теплопоглащающих стен по широте (вдоль оси восток-запад); 50-70% всех окон необходимо расположить на южной стене при их двухслойном исполнении (все прочие - трехслойные); строительные конструкции должны иметь современную теполоизоляцию и минимум потерь за счет наружного воздуха; жилые комнаты должны быть с южной стороны здания, все прочие - с северной; должны существовать определенная простая система регуляции поступления СИ в здание (навесы, козырьки, заслонки воздушные и т. д.) и т. д. КПД подобной ПСВОС равна 25-30% для средних условий России. Для Юга - 60%.

183

Для ПСВОС ТгошЬІе-МіеЬеІ с водяной системой аккумуляции тепла СИ КПД достигает 35%. Если же с южной стороны здания разместить солярий или теплицу, то ПСВОС подобного здания достигает 60-75%, но с одновременным уменьшением количества тепла, поступающего непосредственно в жилые помещения (10-30 % тепла СИ, поступающего на теплицу или солярий).

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.13 Солнечный дом с прямым улавливанием солнечной энергии конвективным контуром для нагрева воздуха и аккумулированием теплоты в слое камней: 1 - солнцезащитное устройство; 2 - воздушный коллектор; 3 - черный металлический лист; 4 - камни; 5 - возврат воздуха; 6 - регулирование потока воздуха; 7 - свежий воздух; 8 - теплый воздух

Активные СВОС (АСВОС), как было сказано выше, значительно сложнее ПСВОС по своему технологическому циклу. АСВОС могут быть реализованы на основе воздуШнОго или водяного (жидкостного) теплоносителя. В качестве жидкостного теплоносителя используются: вода; 40-50% водный раствор пропилен - или этиленгликоля, органические

Теплоносители и т. д. При этом, естественно, возникает проблема защиты подобной АСВОС от замерзания зимой и коррозии, что полностью отсутствует в воздушных системах, которые, однако, менее эффективны, чем жидкостные.

Принципиальные технологические схемы АСВОС представлены на рис.4.14. Стоимость АСВОС существенно выше, чем ПСВОС. Для эффективной реализации АСВОС должны выполняться при сооружении здания требования к его конструкции, аналогичные изложенные выше для ПСВОС.

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.14 Принципиальные схемы водяной (а) и воздушной (б) активных схем солнечного отопления: 1 - коллектор солнечной энергии; 2 - аккумулятор теплоты; 3 - дополнительный источник энергии; 4 - насос (вентилятор); 5 - регулирующий клапан; 6 - подача нагретого теплоносителя; 7 - возврат охлажденного теплоносителя

Башенные СЭС и их энергетические особенности Идея, заложенная в основу технологического цикла башенной СЭС (БСЭС) была предложена более 370 лет назад. Практическая реализация БСЭС начато в 1965 г, ив 80-е годы XX века этот тип СЭУ получил наибольшее развитие в мире ввиду его значительных преимуществ перед другими типами СЭУ в то время (см. табл.4.6)

В основе БСЭС лежит широко известный термодинамический цикл обычно ТЭС, где вместо парового котла, нагреваемого за счет сжигания

Органического топлива (газ, нефть, уголь, торф и т. д.) используется аналогичный котел с разными жидкими или парообразными

Теплоносителями, нагреваемыми за счет тепла СИ (см. рис.4.15 а и б).

Таблица 4.6 БСЭС, построенные в конце XX века в мире

БСЭС

Место

Расположения

Страна

Пуск в эксплуатацию

N (МВт) электрическая

Т еплоноситель

SSPS

Алькерия

Испания

1981 г

0,5

Жидкий

Натрий

EURELIOS

Сицилия

Италия

1981 г

1,0

Водяной пар

SUNSHINE

Nio Town

Япония

1981 г

1,0

-

CESA-1

Алькерия

Испания

1983 г

1,0

-

THEMIS

Targasonne

Франция

1982 г

2-2,5

Расплав солей

Solar One

Барстоу

США

1982 г

10

Водяной пар

Solar Two

1999 г

10

Жидкий

Натрий

СЭС-5

Крым

СССР

1986 г

5,0

Водяной пар

Приемник СИ (котел) размещается высоко над Землей на башне (отсюда и название СЭУ - башенные), на который концентрируется СИ с помощью множества автоматически управляемых зеркальных отражателей (гелиостатов). Иными словами реализуется очень старинная идея Архимеда, жителя г. Сиракузы, с помощью которой был сожжен вражеский флот в порту г. Сиракузы. СИ концентрируется на теплопоглащающей поверхности котла, где образуется пар - теплоноситель, который далее поступает напрямую в паровую турбину или в теплообменники. На одном валу с паровой турбиной размещается ротор генератора, вырабатывающего электрический ток заданного напряжения и частоты.

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.15 а) Основные сооружения БСЭС: 1 - башня, 2 - котел- теплоприемник СИ, 3 - гелиостаты; б) Принципиальная схема

Преобразования солнечной энергии в электрическую: 1 - гелиостаты, 2 - котел, 3 - турбина, 4 - генератор, 5 - конденсатор

Мощность БСЭС во многом определяется высотой башни с котлом -

Приемником СИ, где собирается солнечная энергия от многочисленных

Гелиостатов. В этом случае высокая баШнЯ исключает эффект взаимного

Затенения гелиостатов. Для мощности БСЭС в 50^100 МВт требуется башня

Высотой 200^300 м с используемой площадью полем гелиостатов в 2-К3 км2

(около 15^25 тысяч). Для БСЭС мощностью 150^200 МВт требуется башня

Высотой 350^400 м, что затруднено реализовать на практике. В связи с этим

Реальная мощность построенных БСЭС ограничена 5,0^10,0 МВт с высотой

Башни 70^100 м. Для БСЭС характерно наличие требования о больших

Затратах земельной площади для установки многочисленных гелиостатов,

Требующих индивидуальной АСУ каждым из них во времени для

187

Возможности постоянной концентрации отраженного от гелиостата солнечного луча на котел-теплоприемник на башне.

На острове Сицилия (Италия) с 1981 г работает БСЭС ЕШЕЫОБ мощностью 1 МВт с башней в 50 м. В теплоприемнике вырабатывается водяной пар с температурой 6000 С, который напрямую используется в традиционной паровой турбине. Также с 1981 г в Алькерии на юге Испании работает БСЭС мощностью 0,5 МВТ, где первичным теплоносителем в башне является жидкий натрий, который через теплообменник передает свое тепло водяному пару и далее традиционной паровой турбине. Натриевый теплоноситель одновременно является здесь и аккумулятором тепла во времени.

С учетом циклического и случайного характера СИ подобные СЭС могут быть только источником дублирующей мощности в энергосистеме и предназначаются для экономии дефицитного органического топлива. Для повышения эффективности работы подобных СЭС в их технологическую схему могут включаться различные накопители энергии, с помощью которых можно перераспределять во времени солнечную энергию, поступающую только во время солнечного сияния в светлое время суток. Для иллюстрации сказанного на рис.4.16 а) и б) представлены две наиболее разработанные БСЭС с аккумуляторами теплоты.

В схеме рис. 4.16 а) аккумулятор тепла напрямую последовательно включен в общую технологическую цепочку преобразования СИ в БСЭС. В схемк же рис 4.16 б) в тепловой аккумулятор отводится только часть нагретого в башне СЭС рабочего тела.

Солнечные коллекторы и их энергетические характеристики

Рисунок 4.16 Упрощенная технологическая схема башенной солнечной электростанции с аккумулятором: 1 - гелиостаты, 2 - приемник (котел), 3 - тепловой аккумулятор, 4 - теплообменник, 5 - паровая турбина, 6 - генератор, 7 - конденсатор, 8 - насос

Полезная тепловая мощность БСЭС ИБСЭС может быть найдена по формуле

N БСЭС (t) =Rx (t) ■ Fr ■ Гр - cos в ■ Кзат■ Кл■ Ктп ■ Кзап ■ Гк, (4.9)

2 2 2 где ИБСЭС (t), кВт; Rx (t) - приход СИ на 1 м гелиостата в (кВт/м ); Fr, м -

Площадь гелиостатов; ■ гг, о. е. - отражательная способность гелиостатов

(0,75); cos в =0,75^0,8 - реальный угол падения СИ на гелиостаты; Кзат, о. е. -

Коэффициент затенения гелиостатов; Кбл, о. е. - коэффициент блокировки

Гелиостатов (обычно Кзат■ Кбл=1); КТП=0,85 - коэффициент тепловых потерь;

Кзап=0,95, о. е. - коэффициент запыления; гк=0,93 ^0,95 о. е. - коэффициент

Поглощения СИ теплоприемником котла.

Формулу (4.9) можно переписать так, объединяя все виды потерь энергии в ц ТСМ

^СЭС ^ цБСЭС, (4.10)

Где цБСЭЭС, о е. - общий термодинамический КПД БСЭС.

В 1985 г. на Керченском полуострове в п. Щелкино Крымской области бывшего СССР была введена в эксплуатацию первая опытная БСЭС - «СЭС-5» электрической мощностью 5 МВт. Солнечная энергия концентрировалась на центральный приемник в виде открытого цилиндра на башне высотой 89 м и служащего парогенератором. Поверхность нагрева котла - 154 м, что позволяло вырабатывать 28 т в час насыщенного пара с давлением 4 МПа и 1;0=2500 С. Плотность теплового потока СИ - 130 кВт/ м2, реализуемого с помощью 1600 плоских зеркальных квадратных гелиостатов площадью 25,5 м2 каждый, имеюЩиХ коэффициент отражения 0,71. Плановое число часов работы этой БСЭС - 1920 ч/год. Отношение общей площади гелиостатов к поверхности котла составило 211. На СЭС-5 планировалось иметь также пароводяной аккумулятор тепла емкостью 500 м.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Осень Украина цены на Солнечную ЭлектроСтанцию и смысл в Зеленом тарифе

Реальная мощность солнечной панели Сегодня пришло такое предложение от Одесситов: Комплект на 30 кВт 9.999 USD Солнечные панели AMERI SOLAR 285 Wp - 105 штук ИНВЕРТОР HUAWEI 33 KTL-A - …

Как выбрать оборудование для СЭС

СЭС состоит из нескольких блоков, которые образуют единую сеть. Выбор соответствующего оборудования часто становится проблемой для желающих установить электростанцию. Узнайте, из чего состоит СЭС и как выбрать все необходимые блоки.

Фотоэлектрические элементы — типы, параметры, эффективность

Существует много видов получения энергии из возобновляемых источников. Одной из самых популярных в настоящее время является солнечная энергия, из которой мы можем получать как тепло, так и электричество. Ток получают …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.