Category Archives: ИСУ

Может ли солнечная установка давать полезную теплоту при отрицательных температурах наружного воздуха и при плотной облачности?

Да, может, но количество полезной энергии уменьша­ется и зависит от прихода солнечной энергии и коэффи­циента теплопотерь коллектора. Плоский коллектор спо­собен улавливать как прямое, так и рассеянное солнеч­ное излучение. При пасмурной погоде прямое излучение отсутствует, но коллектор будет улавливать рассеянное излучение. Иное дело с фокусирующими коллекторами, которые улавливают только прямое солнечное излучение и при отсутствии прямых солнечных лучей не дают по­лезной теплоты.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОТУ, РАБОТУ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Солнечная энергия может быть преобразована в теп­ловую, механическую и электрическую энергию, исполь­зована в химических и биологических процессах. Сол­нечные установки находят применение в системах отоп­ления и охлаждения жилых и общественных-зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской или мине­рализованной воды, для сушки материалов и сельскохо­зяйственных продуктов и т. п. Благодаря солнечной энер­гии осуществляется процесс фотосинтеза и рост расте­ний, происходят различные фотохимические процесы.

Известны методы термодинамического преобразова­ния солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлек­трического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальваническо­го и фотоэмиссионного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преоб­разования с применением тепловых двигателей.

Рассмотрим физическую сущность процессов преобразования солнечной энергии в теплоту и работу, а также состояние работ по производству электрической энергии, поскольку это наиболее полно характеризует современный уровень развития гелиотехники.

Преобразование солнечной энергии в механическую осуществля­ется в две стадии. Первая стадия включает фототермическое преоб­разование, в результате которого солнечная энергия, поглощаемая в коллекторе, нагревает теплоноситель или рабочее тело. Этот нагрев может происходить непосредственно в солнечном коллекторе — при­емнике солнечного излучения — или в теплообменнике. При этом помимо нагрева как такового для таких рабочих тел, как водяной пар н пары органических веществ (фреонов), происходит также про­цесс образования и перегрева пара. Вторая стадия осуществляется в тепловом двигателе, в котором тепловая энергия рабочего тела преобразуется в работу. В цикле теплового двигателя рабочее тело (водяной пар или пары фреонов, воздух и т. п.) получает теплоту Qi от источника теплоты, в результате чего оно расширяется н вы­полняет работу, отдает теплоту Qi окружающей среде и при этом сжимается с затратой работы. Полезная работа цикла равна разно­сти количеств подведенной и отведенной теплоты L^Qi—Qt, а эф­фективность преобразования теплоты в работу характеризуется тер­мическим КПД цикла rt=LlQi=l—QtlQi-

Наиболее эффективно преобразование теплоты в работу проис­ходит в цикле Карно, состоящем из идеальных процессов с подводом теплоты при постоянной температуре Ті и отводе теплоты при по­стоянной температуре Ті и имеющем КПД 1Цк«*1—Тг/Т,. Для повы­шения этого КПД необходимо увеличивать Ті и уменьшать 7*. В данном диапазоне максимальной (Ті) и минимальной (Ті) темпе­ратур эффективность цикла реальных тепловых двигателей — паро­вых и газовых турбин, паровой машины, двигателей внутреннего сгорания и др.— значительно ниже термического КПД цикла Карно, но она также повышается при увеличении средней температуры под­вода теплоты и уменьшении средней температуры отвода теплоты. Максимальные величины термического КПД при типичных значени­ях параметров рабочего тела составляют 0,48 для паросиловых установок и 0,36 для двигателей внутреннего сгорания и газотурбин­ных установок, что в 1,5—2,5 раза ниже, чем в цикле Карно.

Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудо­вание, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в тепло­ту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС тре­буется аккумулятор теплоты и система автоматического управления.

Улавливание и преобразование солнечной энергии в теплоту осуществляется с помощью оптической системы отражателей и приемника сконцентрированной солнеч­ной энергии, используемой для получения водяного па­ра или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).

Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны. Районы, в которых годовое количество осадков не превышает 250 мм, занимают около Ув части всей суши Земли. На поверхность самых больших пустынь мира общей пло­щадью 20 млн. км2 (площадь Сахары 7 млн. км2) за год поступает около 5* 1016 кВт-ч солнечной энергии. При эф­фективности преобразования солнечной энергии в элект­рическую, равной 10 %, достаточно использовать всего 1 % территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить-современный мировой уровень энерго­потребления.

В настоящее время строятся солнечные электростан­ции в основном двух типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа. Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа (рис. 4), была вы­сказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была вве­дена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электро­станция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м2 каж­дый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентри­руют солнечную энергию на центральный приемник в ви­де открытого цилиндра, установленного на башне высо­той 89 м и служащего парогенератором. Строительство

СЭС-5 обошлось в 30 млн. руб., а удельная стоимость установленной мощности равна 6 тыс. руб/кВт.

Выполнены технико-экономические расчеты и проект­ные проработки блочных СЭС общей мощностью 200 и 320 МВт, включающих четыре блока по 50 и 80 МВт. Удельные капиталовложения составят 1500 руб/кВт.

В США израильской фирмой «Луз» в 1988 г. были построены семь и продолжалось строительство еще ше­сти СЭС мощностью 30 МВт и стоимостью 104 млн. долл, каждая, а в 1992 г. предусмотрен ввод в действие круп­ной СЭС мощностью 350 МВт.

image008Рис. 4. Схема солнечной
электростанции башенно-
го типа:

1 — гелиостата; 2 — цент* ральиый приемник излуче­ния; 3 — оборудование

станции

Для покрытия потребностей в электроэнергии всей Западной Европы достаточно построить в Испании се­рию СЭС на площади, занимающей 1,8 % ее территории. При этом ими будут заменены атомные электростанции.

В Каракалпакии предусмотрено строительство ком­бинированной солнечно-топливной электростанции об­щей электрической мощностью 300 МВт. Мощность сол­нечного блока 100 МВт, требуемая площадь 200 га, вы­сота башен 300 м. Расчетная годовая экономия топлива составляет 80 тыс. т условного топлива.

В СЭС распределенного (модульного) типа исполь­зуется большое число модулей, каждый из которых вклю­чает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концент­ратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа по­строена в США и имеет мощность 12,5 МВт.

При небольшой мощности более экономичны СЭС модульного типа. В то же время башенные СЭС мощно­стью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощ­ность равна 100 МВт, а высота башни 250 м. В СЭС мо­дульного типа обычно используются линейные концент­раторы солнечной энергии с максимальной степенью

концентрации около 100, а в башенных СЭС использует­ся центральный приемник с полем гелиостатов, обеспе­чивающим степень концентрации в несколько тысяч. Во втором случае система слежения за Солнцем значитель­но сложнее, так как при этом требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с по­мощью ЭВМ.

В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обыч­но используется водяной пар с температурой до 550 °С, воздух и другие газы — до 1000 °С, низкокйпящие орга­нические жидкости (в том числе фреоны) —до 100 °С, жидкометаллические теплоносители — до 800 °С.

В ряде стран разрабатываются гелиоэнергетические установки с использованием так называемых солнечных прудов. На озере Солтон Си (Калифорния, США) пло­щадью 932 км2 предусмотрено сооружение СЭС с мощ­ностью модуля 5 МВт, . с дальнейшим развитием до 50 МВт и доведением общей мощности СЭС до 600 МВт, при этом будет использоваться 15 % всей площади озе­ра. В 1987 г. в Израиле построена. СЭС мощностью 5 МВт с площадью солнечного пруда 0,25 км2, в даль­нейшем намечено построить две СЭС по 20 МВт (пло­щадь пруда 1 км2) и СЭС 50 МВт (площадь 4 км*), а затем на Мертвом море (площадь 500 км2) будет созда­но несколько СЭС мощностью по 50 МВт и до 2000 г. Предусмотрено ввести в строй серию СЭС по 50—100 МВт общей мощностью 2000—3000 МВт.

‘СЭС на базе солнечных прудов значительно дешевле СЭС других типов, так как они не требуют зеркальных отражателей со сложной системой ориентации, однако их можно сооружать только в районах с жарким климатом. Стоимость производства 1 кВт*ч электроэнергии Состав­ляет 0,1 долл., что в 4,5 раза дешевле, чем на СЭС ба­шенного типа.

Главными недостатками башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт — все­го.50 га. В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн. км2 на суше и 18 млн. км2 в океане.

Энергия солнечной радиации может быть преобразо­вана в постоянный электрический ток посредством сол­нечных батарей — устройств, состоящих из тонких пле-

image009

нок кремния или других полупроводниковых материалов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффектив­ным использованием как прямой, так и рассеянной сол­нечной радиации. Модульный тип конструкции позволя­ет создавать установки практически любой мощности и далает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10—12 %).

а: / — кремний я-типа; 2 —кремний р-типа; 3 — пленка из диоксида кремния;
4 — электрод; б: / — пластинка из акриловой смолы: 2 —корпус; 3 — солнеч-
ный элемент; 4 — электрод; 5 — воздушный зазор

Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближ­ней инфракрасной областях спектра. В солнечном эле­менте из полупроводникового кремния толщиной 50мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в элек­трическую посредством р — п соединения (рис. 5).

Стоимость кремниевых элементов в США снизилась с 1970 г. по 1985 г. с 60 до 8 тыс. долл/кВт пиковой мощ­ности. Успешно ведутся работы в США, Японии, ФРГ и Франции по созданию тонкопленочных солнечных эле­ментов с удельной стоимостью 1000 долл/кВт. Ежегодный прирост сбыта солнечных батарей в мире составляет 35 % и в 1990 г. он доджен достичь 500 МВт при стои­мости 3000 долл/кВт. В настоящее время 25 % мирового производства солнечных батарей приходится на Японию.

Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной ра-

диации с кратностью концентрации 50—100 позволяет повысить КПД с 20 до 35 %. Суммарная мощность сол­нечных ФЭП на основе аморфного кремния в 1985 г. составила 19 МВт. В США намечено строительство фо­тоэлектрической электростанции мощностью 100 МВт, причем для размещения солнечных батарей потребуется участок площадью 110 га. Ожидается, что КПД станции составит 23 %, а годовая выработка электроэнергии — 216 ГВт*ч, Для обеспечения конкурентоспособности фо­тоэлектрических станций по сравнению с ТЭС и АЭС их стоимость должна снизиться в 5—10 раз и достичь 300— 500 долл/кВт.

Есть все основания полагать, что для достижения этой цели потребуется не так уж много времени. Наш оптимизм базируется на новейших достижениях в обла­сти разработки высокоэффективных солнечных элемен­тов. Так, в 1989 г. фирмой «Боинг» (г. Сиэтл, США) создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупро­водников — арсенида и антимонида галлия — с коэффи­циентом преобразования солнечной энергии в электри­ческую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах • инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходя через этот слой, поглощается и преобразуется в электри­чество во втором слов: (антимонид галлия),в итоге КПД Составляет 28 % + 9 %=37 %, что вполне сопоставимое КПД современных тепловых и атомных электростанций. По прогнозу через 3 года эти солнечные элементы най­дут применение в космосе, а в течение 10 лет их стои­мость снизится настолько, что станет вполне экономиче­ски обоснованным их применение в наземных системах, при этом себестоимость вырабатываемой энергии соста­вит 0,1 долл/(кВт* ч).

Солнечные батареи пока используются в основном в космосе, а на Земле только для электроснабжения авто­номных потребителей мощностью до 1 кВт, питания ра­дионавигационной и маломощной радиоэлектронной ап­паратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов. В 1988 г. в Австралии состоялись первые всемирные ралли солнечных автомобилей. По мере совер­шенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснаб­
жения, т. е. отопления и горячего водоснабжения, а так­же для выработки электроэнергии для освещения и пи­тания бытовых электроприборов.

По прогнозам к 2010 г. суммарная мощность СЭС в мире должна достичь 128,5 млн. кВт, в том числе СЭС с термодинамическим преобразованием — 115 млн. кВт, с солнечными прудами — 3,5 млн. кВт и фотоэлектриче­скими установками — 10 млн. кВт. В дополнение к это­му предусматривается доведение мощности ВЭУ до 2,8 млн. кВт.

Себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии в 1987 г. со­ставляла 0,68—1,37 долл, (солнечные батареи), 0,22— 0,57долл. (ВЭУ), по прогнозу в 1992 г. она снизится до 0,28—0,57 долл, (солнечные батареи), 0,07—0,12 долл. (СЭС и ВЭУ). Эти последние цифры не намного отли­чаются от аналогичных показателей для ТЭС и АЭС.

За сколько лет окупается солнечная установка?

Стоимость гелиоустановок зависит от области приме­нения, типа и характеристик установок, местных клима­тических особенностей. Установка окупается за счет обеспечиваемой ею экономии топлива. Солнечные водо­нагреватели в зависимости от конструкции и климатиче­ских особенностей местности окупаются в течение 3—10 лет.-Срок окупаемости зависит также от цены на топли­во —- с ее ростом он сокращается. По истечении этого срока установка дает чистую прибыль. Гелиоустановки отопления имеют большой срок окупаемости из-за низ­кого коэффициента использования при высокой стоимос­ти. Как правило, они рассчитываются на покрытие тепло­вой нагрузки в переходный период. Следует иметь в ви­ду, что для сокращения срока окупаемости установка должна использоваться большую часть года.

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АКТИВНЫХ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Общие рекомендации по проектированию гелиосистем.

Солнечные установки отопления и горячего водоснабже­ния зданий входят в состав комбинированных гелиотоп — ливных систем теплоснабжения и обеспечивают частич­ное покрытие годовой тепловой нагрузки. Как правило, мощность резервного (дополнительного) источника теп­лоты — котельной — выбирается такой, чтобы могла быть покрыта вся расчетная тепловая нагрузка отопле­ния, так как в зимние месяцы гелиоустановка имеет низкую производительность. Применение гелиоустановок обеспечивает экономию топлива и снижает загрязнение окружающей среды топливосжигающими установками. Гелиосистемы теплоснабжения рекомендуется применять в основном в южных районах РСФСР, Украины и Казах­

стана, в Закавказье, Молдавии и Средней Азии для се­зонных потребителей, при высокой стоимости топлива, при среднегодовом количестве поступающей солнечной радиации не менее 1000 кВт-ч/м2, при повышенных тре­бованиях к чистоте окружающей среды, например в ку­рортных зонах.

Гелиотопливная система теплоснабжения включает в себя следующее основное оборудование: коллектор сол­нечной энергии, аккумулятор теплоты, теплообменники, насосы или вентиляторы, дополнительный (резервный) источник теплоты (топливный или электрический) и уст­ройства для управления работой системы.

Вследствие нестабильности поступления солнечной энергии системы солнечного отопления должны работать с дублёром — резервным источником теплоты (котельная, теплосеть и т. п.), обеспечивающим 100 % тепловой на­грузки. В то же время солнечные водонагревательные установки сезонного действия могут быть запроектирова­ны без дублера, если не предъявляются жесткие требова­ния по бесперебойному снабжению горячей водой, напри­мер в летних душевых, пансионатах, пионерских лагерях

ит. п.

Для систем солнечного отопления приближенный тепловой расчет можно выполнять для одного месяца пе­реходного периода, например для апреля в средней по­лосе или марта в южных районах.

При проектировании систем теплоснабжения с исполь­зованием солнечной энергии необходимо исходить из то­го, что экономически целесообразно покрывать за счет солнечной энергии ЛИШЬ определенную ДОЛЮ /год годовой тепловой нагрузки QH, а остальную ее часть, а именно (1—/год)<Зн°д. должен обеспечивать резервный (дополни­тельный) источник энергии. Величина /год зависит от ха­рактеристик гелиосистемы и климатических данных, а также от стоимости системы и топлива, но обычно она не превышает 0,5, а для сезонных установок может дости­гать 0,75 и более (за сезон).

Месячная доля солнечной энергии в покрытии тепло­вой нагрузки теплоснабжения или степень замещения топлива определяется как

f = Qc/Q" = (<Й — <$)/<£ = 1 — WS.

где Q“ — месячная величина тепловой нагрузки; Q« и Q* — месячные количества теплоты, обеспечиваемые

солнечной установкой и дополнительным источником энергии.

Годовая доля солнечной энергии (степень замещения топлива) в покрытии нагрузки имеет вид

и = £«К£<5-

11

Экономия топлива (кг) за расчетный период В= = Фс/(ФгТ1тг), где QT—теплота сгорания топлива, МДж/кг; т|тг—КПД теплогенератора, равный 0,45—0,6 для индивидуальных установок и 0,6—0,8 для котлов на твердом, жидком и газообразном топливе.

Исходные данные для расчета гелиосистемы включа­ют характеристики географического положения местно­сти — широту ф, долготу / и высоту Н местности над уров­нем моря, климатические данные — среднемесячное днев­ное количество суммарной Е и рассеяной (диффузной) Ер солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, и температуру наружного воздуха Тв, при­нимаемые по «Справочнику по климату СССР».

Кроме того, по данным испытаний или по данным за­вода — изготовителя коллектора солнечной энергии при­нимаются его характеристики — эффективный оптиче­ский КПД т]0 и коэффициент тепловых потерь Кк, а так­же геометрические размеры одного модуля коллектора, число слоев остекления, вид теплоносителя. Для расчета гелиосистемы также необходимо знать среднемесячные суточные значения тепловой нагрузки отопления или иметь данные для их расчета, знать температуры холод­ной 7х. в И горячей 7Y-B воды и суточное потребление го­рячей воды.

При проектировании систем солнечного теплоснабже­ния расход теплоносителя и объем аккумулятора теп­лоты выбирают в зависимости от вида теплоносителя в контуре солнечного коллектора (жидкость или воздух) и типа теплового аккумулятора (водяного в жидкостных системах и галечного в воздушных системах).

Так, удельный расход (м3/с) теплоносителя в КСЭ на 1 м2 площади поверхности КСЭ для жидкостных сис­тем равен 0,01—0,02, для воздушных систем 0,005—0,02, а удельный объем (м3/м2) аккумулятора теплоты равен соответственно 0,05—0,15 и 0,15—0,35. Удельная площадь поверхности солнечного коллектора в зависимости от на-

НЗ

значения системы принимается ориентировочно равной: для систем отопления отапливаемого помещения 0,33— 0,5м2/м2; для систем горячего водоснабжения 1— 2 м2/чел; для подогрева воды для открытого плаватель­ного бассейна 0,5—1 м2/м2. Оптимальный угол наклона солнечного коллектора р0пт к горизонту принимается равным: для систем отопления — широте ф+15°; для си­стем горячего водоснабжения круглогодичного дейст­вия— широте ф, сезонного действия — широте ф—15°.

Экономия топлива, которая может быть достигнута в результате эксплуатации солнечной системы теплоснаб­жения, ориентировочно составляет 0,1—0,2 т условного топлива на їм2 площади поверхности солнечного кол­лектора.

В галечном аккумуляторе теплоты рекомендуется ис­пользовать слой частиц высотой (длиной в направлении движения теплоносителя) 1—3 м, диаметр частиц гальки 20—40 мм, аэродинамическое сопротивление аккумулято­ра 25—75 Па, а воздуховодов 0,05—1 Па на 1м длины. Коэффициент теплопотерь трубопроводов и воздуховодов не должен превышать 0,5 Вт/(м2-°С), а аккумулятора теплоты 0,25—0,5 Вт/(м2-*С).

Ниже приведены ориентировочные значения отноше­ния площади А поверхности плоского КСЭ к площади ^4пол пола отапливаемых помещений здания в зависимо­сти от средней температуры наружного воздуха Т„ в зим­ние месяцы (декабрь—январь):

Т °с………………….. …… 10 __ 4 0 2 7

ЛМпол. м2/м2′ . . . 0,5— 0,45— 0,4—0,5 0,32— 0,18—

0,65 0,55 0,48 0,35

При применении КСЭ большой площади в летний пе­риод возникает значительный избыток неиспользуемой солнечной энергии, а это крайне нежелательно. Поэтому лучше принять площадь КСЭ по нижнему пределу, а за­тем уточнить ее значение расчетом.

Теплопроизводительность солнечной установки. Вы­полнение точного теплового расчета солнечной системы теплоснабжения практически представляет большие труд­ности из-за необходимости учета влияния случайных ко­лебаний климатических параметров и сложного характе­ра взаимодействия между элементами системы. Поэтому обычно используются упрощенные методы, которые осно­

ваны на обобщении результатов подробного моделирова1 ния гелиосистем с применением ЭВМ и дают возможность получить долгосрочные характеристики проектируемой системы.

Упрощенный метод теплового расчета солнечной уста­новки отопления и горячего водоснабжения здания позво­ляет определить ее основные параметры — площадь поверхности коллектора солнечной энергии А и объем ак­кумулятора теплоты V, а также найти характеристики энергетической эффективности—годовую долю солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки теплоснабжения и расчетную годовую экономию топлива.

Тепловая мощность (Вт) плоского коллектора солнеч­ной энергии (КСЭ)

«К — * п; — к (гт1 — тв)] = Gop (Гт2 — Тт1),

где А — площадь поверхности КСЭ, м2; /к — плотность потока солнечной радиации, поступающей на поверхность коллектора, Вт/м2; т)’ — эффективный оптический КПД коллектора; Кк — общий коэффициент теплопотерь кол­лектора, Вт/(м2-К); Ттх и Ti2 — температура теплоноси­теля на входе в КСЭ и на выходе из него, °С; Тв — тем­пература наружного воздуха, °С; G — массовый расход теплоносителя в КСЭ, кг/с; ср — удельная изобарная теп­лоемкость теплоносителя, Дж/(кг.°С).

Удельная среднемесячная дневная теплопроизводи — тельность коллектора солнечной энергии, МДж/м2 в день:

<1к = Екх(1-аР + ЬР*),

где Ек — среднемесячное дневное количество солнечной энергии, поступающей на 1 м2 площади поверхности КСЭ, МДж/м2 в день.

Метод расчета величины Ек описан в § 16. Коэффи­циенты а и b приведены в табл. 8 для основных типов КСЭ, используемых в солнечных установках теплоснаб­жения. Параметр Р— (Т’ц—-Тв)/Кя, где Кя=Е/Е0 — среднемесячный коэффициент ясности атмосферы, рав­ный отношению среднемесячных количеств солнечной ра­диации, поступающих за день на горизонтальную поверхность на земле и за пределами земной атмосферы.

На теплопроизводительность коллектора солнечной энергии (КСЭ) в данных климатических условиях силь­но влияет температура теплоносителя Тт на входе

Тип КСЭ

%

К

ОХІ0*

6×10»

НПК-1

0,78

8,0

10,7

29,3

НПК-2

0,73

4,6

6,9

12,7

СПК-1

0,75

5,5

7,9

16,4

СПК-2

0,7

3,5

5,6

8,7

Примечание. НПК — неселективный плоский коллектор: СПК — се­лективный плоский коллектор; 1—2 — число слоев остеклении; T)Q—эффектив­ный оптический КПД; К’ — эффективный коэффициент теплопотерь КСЭ, Вт/(м‘.*С).

в КСЭ. Так, при годовом суммарном поступлении сол­нечной энергии на плоскость КСЭ 4060 МДж/м2 (в том числе 1880 МДж/м2 диффузного солнечного излучения) на широте 47° с. ш. годовая теплопроизводительность <?код КСЭ с т)0 =0,73 и /Ск =4,5 Вт/(м2-К) и углом на­клона р=50° изменяется в зависимости от температуры теплоносителя на входе в КСЭ Тч следующим образом:

Гті, °С. ……………………… 10 20 30 40 50 $)

СЯ, МДж/м? — …………….. 2750 2320 1970 1650 1380 1150

Теплопроизводительность солнечной установки, т. е. то количество полезной теплоты, которая поступает к по­требителю за определенный период времени (час, день, месяц, год), меньше теплопроизводительности солнечного коллектора на величину тепловых потерь в трубопро­водах, соединяющих коллектор с тепловым аккумулято­ром, в нем самом, в теплообменниках в контуре коллек­тора и теплового потребителя. Эти теплопотери опреде­ляются тремя величинами—коэффициентом теплопотерь (теплопередачи от теплоносителя к окружающей среде) и площадью поверхности трубопроводов, тепло­вого аккумулятора и т. п., а также разностью температур теплоносителя и окружающей среды (как правило, на­ружного воздуха). На коэффициент теплопотерь сильное влияние оказывают толщина и коэффициент теплопро­водности теплоизоляции. Поэтому для снижения тепло­потерь все нагретые поверхности должны быть тщатель­но теплоизолированы.

В частности, теплопотери трубопроводов рассчитыва­ются по формуле

image095

где Я пот—коэффициент теплопотерь трубопровода, Вт/(м2-дС); Атр — площадь поверхности трубопровода, м2; Г® и Го. о — температура теплоносителя и окружаю­щей среды соответственно, °С.

Солнечные водонагревательные установки за год да­ют 250—350 кВт*ч/м2 полезной энергии в умеренном кли­мате и 600—700 кВт*ч/м2 в жарком климате. •

Приближенный расчет систем солнечного теплоснаб­жения. Для предварительного расчета систем теплоснаб­жения с использованием солнечной энергии можно реко­мендовать графический метод зависимости степени за­мещения (доли солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки) / от безразмерного параметра

0 = Ек A/Q„.

Величины Ек (поступление солнечной энергии на по­верхность КСЭ) и QH (тепловая нагрузка) относятся к расчетному периоду:.для систем горячего водоснабже­ния круглогодичного или сезонного действия —1 год или летний сезон, а для систем отопления — каждый месяц отопительного периода. Зависимости / от 0 представлены на рис. 69, а и б для систем солнечного отопления н го­рячего водоснабжения. При построении зависимостей приняты следующие допущения: 1) в качестве базового варианта принят плоский КСЭ с двухслойным остекле­нием т]о =0,73 и Кк =4,6 Вт/(м2-К), а Кк/цо— =6,3 Вт/(м2*К) с оптимальным углом наклона КСЭ р к горизонту и южной ориентацией; 2) удельный объем водяного аккумулятора теплоты равен 0,05 м3/м2. В слу­чае применения КСЭ, имеющих другое значение отноше­ния Kk/tJo. необходимо внести соответствующие поправ­ки в результат расчета.

Рекомендуется принимать следующие ориентировоч­ные значения коэффициента пересчета количества сол­нечной энергии с горизонтальной плоскости на поверх­ность КСЭ с оптимальным углом наклона 0 к горизонту: # = 1,4 для гелиосистем отопления (р=<р-|-150); # = 1,05 ДЛЯ сезонных систем горячего водоснабжения (р = ф—

—15°) и jR=1,1 для систем круглогодичного действия

(р=ф).

Для-гелиосистем отопления пользоваться графиком на рис. 69, б следует только на месячной основе. С по­мощью этих зависимостей можно определить годовое

image096

Рис. 69. График для приближенного расчета активных систем горя­чего водоснабжения (а) и отопления (б)

значение /год при заданной площади поверхности КСЭ А, или наоборот — площадь поверхности КСЭ А, обеспечи­вающую заданное значение /год.

Последовательность решения первой задачи: для рас­четного периода (год, сезон, месяц) определяются зна­чения Q„ и Ек, рассчитывается параметр 0 и графически определяется /. Затем рассчитываются годовые (месяч­ные) количества энергии, даваемой солнечной установ­кой и дополнительным источником энергии:

Qc = fQat Qa = О /) Qa‘

Обратная задача — определение площади поверхно­сти КСЭ, требуемой для обеспечения заданной доли /, — также может быть решена с помощью этого весьма при­ближенного метода:

A = 0Qn/EK.

Пример 8. Рассчитать солнечную водонагревательную уста­новку круглогодичного действия в г. Кишиневе (<р=47® с. ш.). Суточ­ное потребление горячей воды Vr.,=5 м3/день, температура горячей воды 45 °С, а холодной 15 °С. Годовая доля солнечной энергии в по­крытии тепловой нагрузки /=0,5. Найти площадь поверхности КСЭ А, объем аккумулятора V и годовую экономию топлива В при Чтг=0,б. Годовая тепловая нагрузка

Qr=^r. BPCp(/,B-W =

= 365-5-103-4,19 (45 — 10) = 268 ГДж.

По табл. П1 находим годовой приход солнечной энергии на го­ризонтальную поверхность: £=4,72 ГДж/мг. Коэффициент пересчета солнечной радиации £=1,1, и, следовательно, годовой поток солнеч­ной энергии на плоскость КСЭ £*=££=5,2 ГДж/м*. По рис. 69, а находим 0=0,843.

Площадь поверхности КСЭ А =0,843-268 : 5,2—43,5 м*. Объем водяного аккумулятора теплоты Г=0,07А=3,05 м*. Годовая эконо­мия топлива с теплотой сгорания QT=29,33 МДж/кг

B^fQj(QTtiTr) = 0,5-268000:(29,33-0,6) =7615 кг.

Номограмма для определения площади поверхности солнечного коллектора А и объема бака-аккумулятора V установки горячою водоснабжения показана на рис. 70. Исходными данными для рас­чета служат: число жителей N, норма суточного расхода горячей воды а (л/чел), степень замещения тепловой нагрузки горячего водо­снабжения / (среднегодовое значение —от 0,3 до 0,7 и сезонное — 1 для установок, эксплуатируемых с апреля по сентябрь или с мая но август включительно) и годовое количество поступающей солнечной энергии £ (кВт-ч/м2). В’установке используется стандартный сол­нечный коллектор с двухслойным остеклением, имеющий оптималь­ный угол наклона к горизонту (на 10° меньше широты местности) и южную ориентацию. По номограмме в соответствии со стрелками определяются площадь коллектора А и объем бака-аккумулятора горячей воды V.

Пример 9. Определить площадь поверхности солнечного кол­лектора и объем бака-аккумулятора для солнечной водонагреватель­ной установки для семьи из 5 чел. в районе с годовым приходом сол­нечной энергии £=1370 кВт-ч/м2. Степень замещения /=»1 за пери­од май — август, а норма расхода горячей воды на 1 чел. 75 л/день.

По номограмме получаем площадь поверхности коллектора <4 = —7,2 м2 и объем бака-аккумулятора Г=510 л. ч

ft ц2 Рне. 70. Номограмма для ю расчета солнечных водона — w гревятельных установок. Го­довое поступление солнеч­ной анергии на горизонталь­ную поверхность (кВт-ч/м2):

Подпись:image098Экономическую оценку (руб/ГДж) целесообразности применение системы солнечного теплоснабжения можно дать путем сравнения стоимости 1 ГДж тепловой энергии, отпущенной солнечной Се в топ­ливной С, системами теплоснабжения. Должно выполняться условие Сс<Ст, и Со определяется по формуле

‘ Сс = (£яДс+Сэ)/^,

где Ке — капитальные затраты на систему солнечного теплоснабже­ния, руб.; Са — годовые эксплуатационные затраты (электроэнергия, ремонт в обслуживание, зарплата), руб/год; Qj4* — годовая тепло­вая нагрузка, ГДж; Еш — коэффициент эффективности капитальных вложений. Капитальные затраты (руб.) на гелиосистему теплоснаб­жения

Ас—(С« Ч~ С0б) А Сак V,

где Ск — удельная стоимость коллектора солнечной энергии, руб/м2; С«к —удельная стоимость аккумулятора теплоты, руб/м[2]; К—объ­ем аккумулятора теплоты, м*; Сев — стоимость вспомогательного оборудования, трубопроводов, регулирующей арматуры, системы КИП и Ант. п., отнесенная к 1 м* площади КСЭ, руб/м*; А — пло­щадь поверхности КСЭ, м1.

Ориентировочная сметная стоимость строительства гелиосистемы /Сс^АудА, где *уЯ= 15<Н-250 руб. на 1 м! площади поверхности КСЭ.

Годовой экономический эффект от использования солнечной энергии
где С-, — стоимость 1 ГДж тепловой энергии от традиционного ис­точника теплоснабжения, руб.

Срок окупаемости гелиоустановки определяется отношением капиталовложений к годовому экономическому эффекту: Тт<=

«/СсА^год-

Следует иметь в виду, что наряду с экономней топлива при ис­пользовании солнечной энергии важное значение имеют также такие аспекты, как уменьшение загрязнения окружающей среды, сохране­ние топливных ресурсов, улучшение социальных условий.

Расчет галечного аккумулятора теплоты. В системах солнечного отопления с воздушным коллектором исполь­зуется галечный аккумулятор теплоты. Он также исполь­зуется в пассивных системах отопления здания с при­строенной к южному фасаду гелиотеплицей (зимним са­дом, оранжереей). Рассмотрим метод расчета галечного аккумулятора — теплоты для второго случая и заметим, что этот метод расчета одинаков для обеих систем. В слу­чае пассивной системы с гелиотеплицей основное коли­чество уловленной солнечной энергии аккумулируется в самой теплице, и не более Vs всей получаемой за день полезной солнечной энергии должно аккумулироваться в галечном аккумуляторе теплоты. При большем коли­честве аккумулируемой теплоты требуется увеличение расхода воздуха, а это может привести :к нежелательным колебаниям температуры в гелиотеплице.

Объем галечного аккумулятора теплоты равен произ­ведению площади поперечного сечения, /ак аккумулятора на его длину I в направлении движения потока воздуха: VaiK—faJ■ Скорость воздуха (м/с), отнесенная к полно­му сечению аккумулятора, определяется по формуле

w = m/fafax),

где т — массовый расход воздуха, кг/с; р— плотность воздуха при температуре на входе в аккумулятор, кг/м*; fax -—площадь поперечного сечения аккумулятора, м2.

Объемная теплоемкость, Дж/ (м3»°С), галечного ак­кумулятора равна

Сак = С* Рт (1 “ ®)>

где сТ — удельная теплоемкость твердых частиц (галь­ки), Дж/(кг-°С); рт — плотность твердых частиц, кг/м3; е — порозность слоя частиц.

На рис. 71 показана зависимость между основными характеристиками галечного аккумулятора: диаметром. частиц d (мм), скоростью потока воздуха W (м/с), удельным гидравлическим сопротивлением Лр/l (кПа/м) и длиной (высотой) аккумулятора V (м), которая тре­буется для использования 95 % начальной разности тем­ператур при теплообмене между воздухом и частицами. Обычно достаточно высоты слоя в 500 мм для осущест­вления этого теплообмена при диаметре частиц не более 50 мм.

Важными характеристиками являются разность тем­ператур воздуха АТВ на входе и выходе аккумулятора

image099

и изменение температуры твердых частиц (гальки) при подводе и отводе теплоты АГт, которое принимается рав­ным 0,5 Д7В. Обычно ДГв=7-ь10 °С, и тогда АТт=3,5~ ~~5ЬС.

Процедура расчета галечного аккумулятора теплоты включает следующие стадии:

1) определение количества полезной солнечной энер­гии (Вт-ч/день), уловленной примыкающей к дому’ге­лиотеплицей за день, как суммы соответствующих вели-

18

ЧИП для каждого часа дня: Quon~ 2 Qil

і=6

2) выполнение предварительного расчета аккумуля­тора. Принимается определенная доля полезной энергии, которая может быть аккумулирована за день: Ki =0,254- 4-0,3$.’ Тогда количество энергии (Вт-ч/день), аккуму­лируемой за день, равно QaK=KiQnoa — Среднюю мощ­ность теплового потока (Вт) при зарядке аккумулятора можно определить по формуле

Qaap ~ QaK^>

где п — число часов, в течение которых теплота посту­пает в аккумулятор, ч.

. величину п можно определить на основании часовых значений плотности потока солнечной радиации. Это бу­дет то число часов, в течение которых плотность потока поступающей солнечной радиации отличается от макси­мального за день значения не более чем на 25 %.

Объемный расход воздуха (м3/с), поступающего в аккумулятор теплоты, равен

V* = Овар/ОбООДГ. С.),

где Св—удельная объемная теплоемкость воздуха, Вт-ч/(м3-°С). Требуемый объем аккумулятора тепло­ты, м3:

^аи “ QanKiKC&tt Д? т)*

где Кі — коэффициент, учитывающий число дней, на ко­торые запасается энергия в аккумуляторе. Обычно /Сг= == 1,5-7-2,б;

3) определение высоты (длины) / и площади попе­речного сечения /ак аккумулятора. По величине Va* на­ходим значения I и /ак, исходя из условия, что он должен поместиться в предназначенном для него пространстве. Затем определяем скорость потока воздуха и выбираем диаметр твердых частиц (гальки), а также Ориентиро­вочно принимаем допустимое гидравлическое сопротив­ление аккумулятора. По графику на рис. 71 определяем удельные потери давления в слое Др/1 и затем рассчиты­ваем общее сопротивление, кПа:

ДРсл =

По этому графику также определяем то значение высоты (длины) слоя У, которое требуется для эффективного осуществления теплообмена в слое, т. е. для использова­ния 95 % исходной разности температур воздуха и час­тиц. Если принятое ранее значение / меньше, чем I’, то необходимо повторить расчет с новым значением /. Рас­считываем потери давления в подводящем Др„ и отводя­щем Дрот воздуховодах и определяем сопротивление ак­кумулятора теплоты В целом: А/7ак = А/?сл+Д/>п+Д/?аї. Местные сопротивления можно учесть с помощью экви­валентной длины: /э = 4,5дПОв, где ППов— число поворо­тов воздуховода.

Приведенная длина воздуховода 1т=1+1э.

Площадь солнечного коллектора для плавательного бассейна. Площадь коллектора (м2) солнечной энергии для подогрева воды в плавательном бассейне можно оп­ределить по формуле А=кАъ, где /г=0,4ч-0,6 для закры­того бассейна, fc=0,6-M для открытого летнего бассей­на; А б — площадь поверхности воды в бассейне.

При проектировании гелиосистем для подогрева воды в плавательном бассейне могут быть использованы два типа коллекторов — пластмассовые без остекления и теп­ловой изоляции и металлические с однослойным остек­лением и тепловой изоляцией. Типичные значения коэф­фициентов теплопотерь лежат в пределах 20— 40 Вт/(м2-°С) для КСЭ первого типа и 6—10 Вт/ (м2-°С) для КСЭ второго типа.

Коэффициент поглощения солнечной энергии для пластмассового КСЭ^ равен 0,9—0,95, а эффективный ко­эффициент поглощения для КСЭ с однослойным остек­лением — 0,76—0,82. Пластмассовые КСЭ практически не подвергаются коррозии, но они не выдерживают воз­действия ультрафиолетового излучения в течение дли­тельного периода. Даже если их изготовляют из пласт­масс, стабилизированных по отношению к воздействию ультрафиолетового излучения, срок их службы не превы­шает 10 лет. Металлические коллекторы могут служить более длительный срок (до 20 лет) при условии приня­тия мер по их противокоррозийной защите, в первую очередь путем правильного выбора материалов и поддер­жания pH теплоносителя в соответствующих пределах.

Площадь поверхности солнечного коллектора, необ­ходимая для подогрева воды в открытом плавательном бассейне в летний период, в зависимости от типа коллек­тора ориентировочно может быть принята равной 50— 100 % площади водной поверхности бассейна. Более точно площадь поверхности КСЭ можно определить ис­ходя из теплопотребления бассейна Q<s, КПД КСЭ т]к, количества поступающей солнечной энергии Ек и доли солнечной энергии f в покрытии тепловой нагрузки: А = = Qe//(гік^нЛ^), где Qc — тепловая нагрузка за расчет­ный период, определяемая тепловыми потерями бассей­на, МДж; f — средняя доля солнечной энергии в обеспе­чении тепловой нагрузки; т]к — средний КПД КСЭ; £* — плотность потока солнечной энергии на плоскость КСЭ, МДж/м2 в день; N — число дней в расчетном периоде.

При применении прозрачного полимерного покрытия тепловые потери плавательного бассейна за каждый час использования покрытия уменьшаются: на 80 % — поте-

image100

Рис. 72. Номограмма для расчета солнечной установки для плава­тельного бассейна с покрытием (А) и без покрытия (Б)’, годовое поступление солнечной энергии (кВт-ч/м2 в год):

1 — 1490; 2 — 1370; S— 1230; 4 — 1150; 5— 1030; 6-920

ри вследствие испарения воды, на 40 % — конвективные потери, а потери теплоты за счет излучения уменьшают­ся мало. Если же используются непрозрачные покрытия (пенопласт), то существенно уменьшаются все виды теплопотерь бассейна.

На рис. 72 показана номограмма для определения площади поверхности солнечного коллектора для откры­того плавательного бассейна с применением теплоизоли­рующего покрытия (Л) и без него (Б) в районах с различ­ным годовым количеством солнечной энергии, поступаю­щей на горизонтальную поверхность.

Пример расчета. Для бассейна площадью 40 м2 в районе с годовым поступлением солнечной энергии 1230кВт-ч/м2 требуемая площадь поверхности коллек­тора равна 17,3 м2 в случае применения покрытия для теплоизоляции поверхности бассейна в те периоды, когда им не пользуются (ночью, в пасмурную погоду), и 55 м3 в случае, когда покрытие не применяется. В качестве солнечного коллектора используется плоский КСЭ с од­нослойным остеклением, имеющий угол наклона к гори­зонту на 10° меньше широты местности, КСЭ ориентиро­ван на юг.

Глава шестая

ИЗГОТОВЛЕНИЕ, МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК

Что дает применение солнечных установок в умеренных широтах?

Солнечная установка может экономить от 25 до 75 % расходов на топливо.

ПОЛУЧЕНИЕ ХОЛОДА С ПОМОЩЬЮ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Для этой цели используются парокомпрессионные и абсорбционные холодильные установки. Рассмотрим вкратце принцип их работы, а также принцип работы теплового насоса, который может применяться для ох­лаждения и отопления здания.

Парокомпрессионная холодильная установка, схема которой показана на рис. 6, состоит из испарителя, ком­прессора, конденсатора, дроссельного вентиля и соеди­нительных трубопроводов. В качестве рабочего тела — хладагента — в основном используются фреоны 11, 12,

Подпись: », HWj- Рве. 6. Схема парокомпресси­онной холодильной установки:

1 — испаритель; 2 — компрессор;

3 — конденсатор; 4 — дроссельный

вентиль

Цикл холодильной установки осуществляется следующим обра­зом. В результате подвода теплоты Q» в испарителе хладагент испа­ряется при низкой температуре и соответствующем низком давле­нии. Образующиеся пары хладагента сжимаются в компрессоре, для чего затрачивается работа LK. При отводе теплоты Q* в конденса­торе пары охлаждаются и конденсируются при более высоких (по сравнению с испарителем) температуре и давлении. При прохожде­нии хладагента через дроссельный вентиль его давление и темпера­тура понижаются до уровня давления и температуры в испарителе и часть хладагента испаряется без подвода теплоты извне. Эффек­тивность цикла холодильной установки определяется отношением хо — лодопроизводительности Q„ к работе LK, затраченной на сжатие па­ра хладагента в компрессоре: e=Qv/LK.

Подпись: Гя/(7,/Г„).Цикл осуществляется в диапазоне температур в испарителе Тк и конденсаторе Тк, а максимально возможный холодильный коэффи­циент, соответствующий идеальному циклу Карно, равен е=

Холодильный коэффициент е=2+4 и увеличивается при умень­шении разности температур в конденсаторе и испарителе.

Абсорбционная холодильная установка. Для произ­водства холода в абсорбционной установке используется теплота, а рабочим телом служит бинарная смесь хла­дагента и абсорбента. Абсорбент — эта такая жидкость, которая химически связывается хладагентом при низких температурах и отделяется от него при высоких темпе­ратурах. Обычно используются такие смеси: вода (хла­дагент) — бромистый литий (абсорбент) ц аммиак (хладагент) — вода (абсорбент).

Принцип работы бромисто-литиевой абсорбционной холодильной установки поясняется с помощью рис. 7. Установка состоит из гене­

Подпись: іimage013Рис. 7. Схема абсорбционной
холодильной установки:

І — генератор; 2 — конденсатор; S — испаритель; 4 — абсорбер; 5 — насос; 6 — теплообменник; 7, в — дроссельные вентили

ратора, конденсатора, испарителя, абсорбера, насоса, теплообменни­ка, дроссельных вентилей. Как видим, компрессор отсутствует, а давление повышается вначале при растворении хладагента в слабом растворе в абсорбере, а затем насосом. Цикл начинается с выпари­вания воды из крепкого раствора и перегрева образующегося водя­ного пара в генераторе, куда подводится теплота от солнечного коллектора. Температура в генераторе равна 77—99 °С. Пар из гене­ратора поступает в конденсатор, где он охлаждается приблизительно
до 37—tO °С водой из градирни и превращается в жидкость, которая затем вновь частично испаряется при расширении в дроссельном вен­тиле 7. Полное испарение воды происходит в испарителе при низком давлении и температуре 4 °С, при этом от воздуха в помещении (или воды) отводится теплота, необходимая для испарения хладагента. Пар низкого давления поступает в абсорбер, где он поглощается слабым раствором, давая крепкий раствор, который насосом пода­ется через теплообменник в генератор. В цикле теплота от рабочего тела отводится в конденсаторе (QK) и абсорбере (Qа), а подводится в генераторе (Qr) и испарителе (Qи).

Коэффициент преобразования энергии для абсорбционной холо­дильной установки равен отношению холодопроизводительноста Qu к количеству теплоты, подведенной в генераторе, Qr: <p= Qn/Qr. Ти­пичные значения этого коэффициента для бромисто-литиевой уста­новки 0,6—0,8, а для водоаммиачной—0,4—0,6. Эти цифры в 5— 7 раз ниже, чем для парокомпрессионной установки с электроприво­дом, но если учесть КПД преобразования тепловой энегии в элек­трическую, который составляет 0,33, а также потери энергии в сети, то разница становится значительно меньше.

Тепловой насос — это как бы холодильная установка наоборот. Он состит из тех же элементов, что и холо­дильная установка, только работает в другом темпера­турном режиме и предназначен для отопления зданий за счет использования теплоты окружающей среды (воз­духа, воды, грунта, солнечной энергии) и тепловых от­ходов. Тепловой насос может использоваться для отоп­ления зданий зимой и их охлаждения летом. Существуют парокомпрессионные и абсорбционные тепловые насосы. Аналогично холодильной установке парокомпреесионный тепловой насос включает испаритель, компрессор, кон­денсатор и дроссельный вентиль. Цикл работы теплового насоса осуществляется в диапазоне температур рабочего тела в испарителе, и конденсаторе. Баланс энергии паро­компрессионного теплового насоса записывается в виде уравнения <7к=<7и+/к, где qK — количество теплоты, от­водимой в конденсаторе, кДж/кг; qK — количество теп­лоты, подводимой в испарителе, кДж/кг; /к — работа сжатия хладагента в компрессоре. Эффективность уста­новки в случае, когда тепловой насос используется для отопления здания, характеризуется тепловым (отопи­тельным) коэффициентом или коэффициентом преобра­зования ЭНерГИИ ф = <7к//к.

Максимальную эффективность имеют теплонасосная и холодильная установки, работающие по обратному циклу Карно в диапазоне температур в испарителе Тя и конденсаторе Тк. При этом <рк—Тк/(Тк—Ги) и ек—TJ / (Тк’—Ти).

В парокомпрессионном тепловом насосе в качестве источника теплоты, подводимой к рабочему телу испа­рителя, может использоваться грунтовая вода или вода из реки, моря, озера, влажная почва, наружный воздух, солнечная радиация. Подвод и отвод теплоты осуществ­ляются посредством циркулирующего теплоносителя — воды или воздуха. .

В зависимости от источника теплоты и теплоотво­дящей среды различают тепловые насосы типа вода — вода, грунт — вода, воздух — вода, вода — воздух, грунт —воздух и воздух — воздух. Наиболее пригодны для систем отопления первые три типа, а для охлажде­ния — остальные.

Для работы теплового насоса в режимах отопления и охлаждения необходимо иметь специальный дроссель­ный вентиль и четырехходовой клапан, обеспечивающий изменение направления движения хладагента на проти­воположное. Тот теплообменник, который был испарите­лем в режиме отопления, становится конденсатором в режиме охлаждения и наоборот.

Бакинский завод «Кондиционер» выпускает тепловые насосы типа воздух — воздух, пригодные для отопления жилых и общественных зданий.

Глава вторая

СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ И АККУМУЛЯТОРЫ
ТЕПЛОТЫ

Как изготовить и смонтировать простой солнечный водонагреватель?

Корпус коллектора можно изготовить из досок или фанеры, а снаружи его можно обшить оцинкованным же­лезом. На дно кладут слой теплоизоляции — минераль­ной ваты — толщиной 50—75 мм, а сверху гипсоволок­нистую плиту с наклеенной алюминиевой фольгой. Затем укладывают абсорбер, предварительно изготовленный и испытанный на плотность. Он может быть составлен из отдельных полосок, представляющих собой трубку для теплоносителя, припаянную к металлическому ребру. Эти трубки присоединены вверху и внизу к гидравличе­ским коллекторам, диаметр которых больше диаметра трубок (10—15 мм) в 2—3 раза. После этого устанавли­вается стекло (толщиной 4 мм) с уплотнением в алюми­ниевом профиле. Переход между стеклом и корпусом за­крывается водонепроницаемой уплотнительной лентой или замазкой.

Изготовленный коллектор устанавливают на металли­ческую ШЛИ деревянную опорную конструкцию и закреп­ляют его на ней. Саму эту опорную конструкцию при­крепляют к строительным деталям крыши или к специ­альному настилу или бетонной плите, располагаемой на плоской крыше дома. Монтаж на плоской крыше намно­го легче, чем встраивание коллектора в наклонную крышу.

Место для размещения солнечного водонагревателя выбирают таким образом, чтобы обеспечивалась его эф­фективная и надежная работа и не возникала опасность для людей и самого здания. Участок крыши, на котором устанавливается солнечный водонагреватель, должен выдерживать дополнительную нагрузку от веса установ­ки. Коллекторы и их опорные конструкции должны быть надежно прикреплены к несущей конструкции, чтобы предотвратить их падение под действием ветра,-снежных буранов и других внешних воздействий. К стропилам, балкам и перекрытию можно прикрепить ^установку с помощью анкерных болтов или проволоки. Для предот­вращения протечек воды через отверстия для трубопро­водов и крепежных деталей следует использовать спе­циальные прокладки, уплотнения или силиконовые по­крытия.

Каковы особенности пуска жидкостного солнечного коллектора?,

При пуске жидкостного коллектора солнечной энер­гии должны соблюдаться определенные правила безо­пасной работы, предотвращающие его повреждение. В солнечный полдень температура лучепоглощающей по­верхности КСЭ, не заполненного теплоносителем, мо­жет достигать температуры 200 °С и более. При поступ­лении холодной жидкости возникает тепловой удар, приводящий к разрушению остекления й образованию трещин и вздутий в канала’іс для теплоносителя. Для предотвращения этих нежелательных явлений заполне­ние коллектора теплоносителем необходимо производить тогда, когда температура лучепоглощающей поверхнос —

ти невелика, т. е. утром или вечером. Это в первую оче­редь относится к КСЭ, в которых предусмотрен дренаж теплоносителя. Аналогичная ситуация возникает при от­ключении насоса по той или иной причине. При наличии системы автоматического управления в ней должен быть предусмотрен датчик максимальной температуры, не допускающий включение насоса при опасно высокой температуре абсорбера. Перед первым пуском смонти­рованной установки производятся ее внешний осмотр, гидравлические испытания давлением 250 кПа, проверку воздушника и полноты слива жидкости при дренаже.

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК

По сравнению с обычными системами теплоснабже­ния солнечные установки требуют более .тщательного проектирования, конструирования элементов, монтажа и эксплуатации. Для обеспечения надежной и эффектив­ной работы солнечных установок в течение всего рас­четного периода необходимо осуществить правильный выбор гелиотехнического оборудования и материалов для его изготовления и произвести качественно работы по установке и монтажу оборудования.

Материалы для изготовления корпуса солнечного кол­лектора. Основными элементами активной гелиосистемы являются коллектор солнечной энергии и аккумулятор теплоты. Для изготовления этих элементов системы ис — пЬЙьзуются различные материалы — металлы, пластмас­сы, стекло, бетон, дерево, полимерная пленка, теплоизо­ляционные материалы, резина. Основным требованием к выбору материалов является требование совместимо­сти конструкционных материалов с рабочими жидкостя­ми при условиях эксплуатации. Особенностью работы солнечных коллекторов является воздействие на них внешней среды. Поэтому корпус коллектора, вмещающий такие конструктивные элементы, как лучепоглощакмцая поверхность с трубами или каналами для теплоносителя, остекление, тепловая изоляция, должен надежно защи­щать их от воздействия внешней среды, предохраняя от попадания влаги, пыли, вредных веществ.

Корпус коллектора может быть изготовлен из оцин­кованного железа, алюминия, стеклоткани, дерева, кау­чука, композиционных материалов и др. Выбор мате­риала осуществляется в соответствии с конструкцией и с учетом наличия материала. Так, для вакуумированщго солнечного коллектора требуются трубы из высококаче­ственного боросиликатного стекла.

Все материалы, используемые для изготовления эле­ментов коллектора, должны выдерживать максимальнее и минимальные рабочие температуры. Внутри корпуса коллектора должно быть предусмотрено свободное про­странство для расширения абсорбера, температура кото­рого может достигать 200 °С и более (при отсутствии теплоносителя).

Материалы для лучепоглощающей поверхности кол­лектора. При выборе конструкционных материалов для изготовления элементов гелиосистем необходимо учиты­вать их совместимость с рабочими жидкостями. При этом для предотвращения коррозии необходимо учитывать следующие рекомендации.

Алюминий нельзя применять в случае прямого контакта с водопроводной водой (pH=5-^9) без ее хи­мической обработки и добавления ингибитора коррозии. Он может применяться при прямом контакте с дистил­лированной или деионизированной водой, содержащей ингибитор коррозии при условии отсутствия контакта с железом или медью, которые, обладая менее положи­тельным электродным потенциалом, образуют, с алюми­нием гальванические пары. Кроме того, алюминий мо­жет работать с безводными органическими жидкостями. Скорость воды и водных растворов в трубопроводах не должна превышать 1,25 м/с.

Медь и ее сплавы можно применять при пря­мом контакте с дистиллированной и деионизированной водой или с водопроводной водой с низким содержанием хлоридов, сульфатов и сульфидов, а также с безводными органическими жидкостями. Медь нельзя применять в следующих случаях:

1) при прямом контакте с водными растворами с вы­соким содержанием сульфида водорода, хлоридов и суль­фатов;

2) при прямом контакте с водой и с водными раство­рами при скорости их движения более 1,25 м/с и при pH до 5.

Сталь рекомендуется применять при прямом кон­такте с дистиллированной и деионизированной водой или с водой, содержащей ингибиторы коррозии (pH=84-12), при низком общем солесодержании. Ее нельзя применять в прямом контакте с необработанной водопроводной во­дой, дистиллированной или деионизированной водой с pH более 12 или pH до 8.

Оцинкованную сталь (железо) следует применять для внутренней обшивки аккумуляторов теп­лоты с катодной защитой и с безводными органическими жидкостями. Ее нельзя применять в прямом контакте с водой и водными растворами, содержащими ионы меди или имеющими pH более 12 или pH до 8, а также при температуре воды выше 55 °С.

Н е р ж а в е ющ а я сталь должна обладать высо­ким сопротивлением к питтинговой коррозии, межкри — сталлнтной коррозии и коррозионному растрескиванию в рабочих средах. Ее можно применять при контакте с безводными органическими жидкостями. Во всех ос­тальных случаях выбор — марки нержавеющей стали дол­жен быть основан на ее совместимости с конкретной жид­кой средой.

Пластмасса, резина, каучук, компози­ционные материалы хорошо совместимы с жид­кими теплоносителями — водой и другими жидкостями. Однако масштабы их применения в гелиотехнике пока невелики.

Материалы должны обладать следующими характе­ристиками:

хорошей устойчивостью к воздействию ультрафиоле­тового излучения и атмосферных факторов — осадков, загрязнений и т. п.;

способностью выдерживать колебания температур от —25 до 150 °С;

достаточной механической прочностью и пожаро­безопасностью.

Недостатки пластмасс: деградируют под действием ультрафиолетового излучения и не выдерживают высо­ких температур, которые могут развиться при отсутствии теплоносителя в коллекторе.

Выпускаемые в СССР плоские коллекторы солнечной энергии имеют низкие оптико-теплотехнические характе­ристики, отличаются большой удельной массой (50— 60 кг/м2 при изготовлении КСЭ из стального штампован­ного радиатора в стальном корпусе и 40 кг/м2 в алюми­ниевом корпусе). Если применять пластмассы, каучук, резину и композиционные материалы, то масса коллекто­ров уменьшится до 5—10 кг/м2. В ФРГ и Франции вы­пускаются КСЭ из синтетического каучука и оребренных пластмассовых труб, выдерживающих как низкие (до —30 °С), так и высокие (до ПО—140 °С) температуры, не портящихся под действием ультрафиолетового излу­чения, имеющих высокую эффективность и низкую стои­мость. Себестоимость 1 кВт-ч производимой в пластмас­совых КСЭ теплоты в 10—12 раз ниже, чем в металли­ческих, и в 4—5 раз ниже, чем при сжигании жидкого топлива или при использовании теплового насоса.

Очевидно, нужно направить усилия на производство новых типов солнечных коллекторов из современных ма­териалов, включая полимерные и композиционные мате­риалы. В низкотемпературных солнечных установках, предназначенных для получения горячей воды в индиви­дуальных жилых домах, дачных поселках и на сельско­хозяйственных объектах, а также для обогрева плава­тельных бассейнов, целесообразно использовать пласт­массовые коллекторы. Некоторые конструкции подобных коллекторов будут описаны ниже.

Материал прозрачной изоляции солнечных коллекто­ров. Прозрачная изоляция предназначена для снижения тепловых потерь КСЭ и предотвращения попадания осадков внутрь него. ^Обычно используется один или два слоя прозрачной изоляции КСЭ, но могут также приме­няться КСЭ без прозрачной изоляции, а иногда и КСЭ с тремя слоями изоляции. Материал прозрачной изоля­ции должен обладать высокой пропускательной способ­ностью для солнечной радиации (длина волн от 0,3 до

2,5 мкм) и быть практически непрозрачным для длинно­волнового (более 3 мкм) теплового излучения, испускае­мого поверхностью абсорбера.

Обычно используется оконное стекло. Лучше всего применять стекло с низким содержанием оксидов желе­за. Стекло должно быть изолировано от металлических поверхностей с помощью резиновой П-образной проклад­ки и уплотнения во избежание его повреждения или об­разования трещин в результате возникновения тепловых напряжений.

Альтернативным материалом прозрачной изоляции является полимерная пленка, обладающая, к сожалению, существенным недостатком, связанным с деградацией под действием ультрафиолетового излучения. Однако,

учитывая ее низкую стоимость, ее все же целесообразно применять. Выше были описаны конструкции гелиосуши­лок с применением полимерной пленки. В последующих разделах будет дана дополнительная информация по при­менению полимерных материалов для изготовления кол­лекторов. Полимерная пленка лучше (по сравнению со стеклом) пропускает солнечное излучение, поэтому при двухслойной прозрачной изоляции можно один слой стек­ла заменять полимерной пленкой. Для повышения срока службы пленки ее необходимо специально обработать с целью повышения стабильности по отношению к воз­действию ультрафиолетового излучения.

Теплоизоляционные материалы для коллекторов. Теп­лоизоляционный материал должен отвечать следующим требованиям. Он должен иметь низкий коэффициент теп­лопроводности Я, низкую плотность р, высокую темпера­туру плавления, высокую сопротивляемость различным вредным воздействиям и влиянию погодных условий. Наилучшими теплоизоляционными материалами являют­ся пенополиуретан и полистирол, могут применяться так­же минеральная вата и стекловата.

Характеристики некоторых наиболее употребительных в конструкциях коллекторов теплоизоляционных мате­риалов приведены в табл. 9.

Таблица 9. Теплоизоляционные материалы

Материал

X, Вт/ (м. К)

Т, °С

р, кг/м*

Полистирол

0,035

80

0,02

Пенополиуретан

0,028

100

0,035

Пенопласт

0,03-0,08

150

0,4—0,7

Поливинилхлорид

0,035

130

0,04—0,08

Полиметакриламид

0,029-0,035

160

0,03—0,2

Минеральная вата

0,038

200

0,145

Стекловолокно

0,036

300

0,12

Уплотнительные материалы и проклад­ки. Для уплотнения стекла в корпусе солнечного кол­лектора лучше всего подходит силиконовая резина. Уп­лотнительные прокладки необходимо помещать с обеих сторон стекла. Для этого прокладка должна иметь П-об — разную форму с зазором для стекла.

Материалы селективных покрытий. В гл. 5 подробно описаны селективные поглощающие по­крытия для лучепоглощающей поверхности солнечного коллектора и способы их получения. Более детальные сведения содержатся в специальной литературе.

Теплоносители для солнечных кол­лекторов (табл. 10). В жидкостных системах горя-

Таблица 10. Свойства теплоносителей для КСЭ (при 20°С)

Показатель

f? o

Я

2? л

8

1

Углеводороды

а

К

О

02

!

j Воздух

ias

а>

ч л к ч

<SS

Проти гликолі (50 %)

ч 5 х <в и Ж

аромати­

ческие’

парафи­

новые

Температура замерзания т 9С

і зам» Vj

0

—36

—33

-60-ь

-ь-Ю

Температура

КИПЕНИЯ Ткап,

°С

100

по

106

180-340

Удельная теп­лоемкость Ср,

кДж/(кг-К)

4,187

1,005

3,3

3,6

1,4—2

1,5-2,1

1,8-2,6

Теплопровод­ность X,

Вт/(м-К)

0,68

0,026

0,43

0,42

0,16

0,13

0,13

Вязкость, V, 10-е м»/с

0,9

16,06

3,4

5

10—

50

9-50

1-60

чего водоснабжения и отопления в качестве теплоноси­теля в солнечном коллекторе используются в основном вода или незамерзающая жидкость — антифриз. В воз­душных системах применяются коллекторы, в которых нагревается воздух. Вода как теплоноситель имеет опре­деленные преимущества и недостатки в сравнении с воз­духом. Вода имеет хорошие теплофизические свойства (теплоемкость, коэффициент теплопроводности, вязкость, плотность), однако при отрицательных температурах на­ружного воздуха она замерзает в трубопроводах и других элементах гелиосистемы. Поэтому необходимо принимать меры по предотвращению ее замерзания. Серьезную про­блему представляет коррозионная активность воды по отношению к большинству конструкционных материалов. Воздух не замерзает и не вызывает коррозии, но его теп-

Подпись:11—675

лофизические свойства значительно уступают воде. Раз­меры воздуховодов и каналов для потока воздуха намно­го больше размеров конструктивных элементов жидкост­ных систем. Кроме того, вентиляторы в воздушных системах потребляют большое количество энергии и соз­дают шум. Воздушный поток должен омывать всю по­верхность абсорбера для обеспечения эффективного теп­лообмена с лучепоглощающей поверхностью.

В жидкостных системах наряду с водой используются также незамерзающие теплоносители — этилен — и про — пиленгликоль и др. Их недостатком является малый срок службы (до 3—5 лет). Пропиленгликоль в отличие от этиленгликоля не токсичен. Токсичность воды зависит от вида применяемого ингибитора коррозии. Углеводород­ные теплоносители мало токсичны. Не следует применять фреоны, поскольку они разрушают озонный слой атмо­сферы Земли.

Свойства некоторых материалов для изготовления гелиосистем, а также селективных поглощающих покры­тий приведены в табл. 11 и 12.

Материалы для аккумуляторов теплоты. Достаточно подробное описание методов аккумулирования теплоты,

Таблица 11. Свойства материалов для гелиосистем

Материал

С, кДж/ (кг-К)

р, кг/м*

К,

Вт/ (м • К)

а

в

Строительные материалы

Бетон

0,834

1920—

0,8—

0,6—

0,88т-

2240

1,73

0,98

0,97

Кирпич

0,921

1920— 2080

0,6—1,3

0,26—

0,89

0,93

Древесина

2,51—

2,93

350—740

0,1—

.0,16

0,6

0,9

Керамическая

плитка

0,8

Металлы

1,7-2,9

0 to

1

о

00

0,6-0,9

Сталь

0,5

7830

45

0,8—0,9

0,85

Железо окислен­ное

Алюминий:

0,5

7 10

55

0,8-

0,94

0,94

полированный

0,88

2740

202

0,1—0,4

0,03

0,09

окисленный

0,88

2740

202

0,4-

0,65

Таблица 12. Характеристика основных селективных поглощающих покрытий

Покрытие

Поглощательная способность в диапазоне солнечного

излучения а_ с

Излучательная способность в диапазоне инфракрасного излучения ет

Степень

селективности

покрытия

Черная краска:

0,95—0,98

0,9-0,97

матовая

1

силиконовая

0,94

0,4

2,35

акриловая

0,92—0,97

0,84-0,9

1,1

Черный хром

0,87—0,93

0,1

9

Черный хром на

0,92—0,94

0,07—0,12

8-13

никеле

Черный никель на

0,93

0,06

15

никеле

Черный цинк

0,9

0,1

9

Оксид меди на алюминии

0,93

0,11

8,5

а также теплоаккумулирующих материалов, применяе­мых в жидкостных и воздушных гелиосистемах горячего водоснабжения и отопления, дано в § 6, а в табл. 4 дана сравнительная характеристика этих материалов; Для во­донагревательных установок и жидкостных систем отоп­ления лучше всего ‘применять воду в качестве теплоак­кумулирующего материала, а для воздушных гелиосис­тем—гальку, гравий ит. и. Однако следует иметь в виду, что галечный аккумулятор при одинаковой энергоем­кости по сравнению с водяным аккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь. Например, водяной аккумулятор диаметром

1,5 и высотой 2,4 м имеет объем 4,3 м3, в то время как галечный аккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объем 13,8 м3.

Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода ве­щества. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккуму­лирования соответствует теплоте сгорания: нефть — 11,3, уголь (условное топливо) — 8,1, водород — 33,6 и древеси­на— 4,2кВт<ч/кг. При термохимическом аккумулирова­нии теплоты в цеолите (процессы адсорбции — десорб­ции) может аккумулироваться 286Вт-ч/кг теплоты при разности температур 55 °С. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галь­ка, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60 °С составляет 14—17Вт-ч/кг, а в воде — 70Вт-ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление — затвердева­ние) плотность аккумулирования значительно выше: лед (таяние)—93, парафин — 47, гидраты солей неоргани­ческих кислот — 40—130 Вт-ч/кг.

Свойства теплоаккумулирующих веществ приведены в табл. 13 и 14.

Таблица 13. Свойства твердых и жидких теплоаккумулирующих

материалов

Материал

р, кг/ма

С, кДж/ (кг-К)

К.

Вт/ (м • К)

— Теплоакку­мулирующая способность при дг=20 к.

МДж/м*

Вода (давление 0,1 МПа)

1000

4,19

0,6

73,4

Камень (природный)

3100

0,83

52,6

Бетон (с легкими запол-

1000

1,04

0,35

20,9

нителями) "

Железобетон

2200

1,08

1,56

47,5

Кирпич

1700

0,83

0,75

27,4

Древесина

800

1,65

0,21

25

Сталь

7800

0,47

58

73,4

Песок сухой

1500

0,83

0,58

25

Земля сухая

1000—

0,83

0,17-

16,6—50,4

2000

0,58

Г алька

2640

0,86

1,7—4

45,6

Жидкий натрий

960

1,26

67,5

24,2

Эвтектическая смесь

1733

1,55

0,57

53,6

(46% NaN03 + 54 %

КМОз)

Вода (давление 1 МПа)

920

4,32

0,69

79,5

Аккумулирование теплоты может осуществляться также в грунте, в частности, этот способ аккумулирова­ния применяется в теплицах.

В качестве материала для изготовления бака-аккуму­лятора обычно используют сталь или бетон. Бункер для слоя гальки может быть изготовлен из этих же материа­лов. Однако он также может быть изготовлен из толстой фанеры (12 мм) или досок, а каркас при этом делают из стального уголка. Изнутри обшивка должна иметь по­крытие из полимерной пленки для обеспечения герметич­ности. В случае горизонтального расположения галечного

Таблица 14. Свойства теплоаккумулирующих веществ фазового перехода

Вещество

гпл*

р, г/см*

X.

Вт/(м-К)

С, кДж/ (кг-К)

Энта чьпия фазового перехода

кДж/кг

МДж/м»

1

2

3 | 4

5 | 6

7 | 8

9

10

258.1

345.2

403.2

29,2

1,62

1.5

0.6

0.3

1.47

1.47

172,5,

32,4

1,46

1.41

0.6

0,3

1.76

3,31

251

35,2

1.42

0.5

1,55

3.18

279

Неорганические вещества

СаС1,-бН,0

Na. SO.-19H, О Na, HPO( • 12Н. О

44

0.91

0,4

0,2

175,3

54,1

0,87

—.

1,6

2.26

187.8

65

0,88

_

_

1.8

2,73

184.5

70,1

0,95

0,2

1,67

2,3

200,3

Органические кислоты

Лауриновая

Мирнстявовая

Пальмитиновая

Стеариновая

159,5

162,8

162,9

191

22

0.9

0,77

0.3

0,2

2,91

187,8

28

_

0,79

_

0.1

2.1

2,17

244.2

36,7

о,»;

■0.78

0.2

2,01

2,21

247

Парафины

Парафин

Октадекан

н-Эйкозэн

Примечание, Свойства твердой фазы даны в графах 3, 5 н 7, а жид­кой — в гдафах 4, 6 и 8.

аккумулятора сверху на слой гальки необходимо поло­жить полимерную пленку, а на нее насыпать слой песка толщиной около 5 см. Это делается для того, чтобы предотвратить движение воздуха над слоем гальки. Кро­ме того, при большой длине аккумулятора необходимо установить вертикальную перегородку, которая обеспе­чит хорошее омывание частиц гальки потоком воздуха.

Стоимость теплоаккумулирующих материалов изменя­ется от 0,01 для гальки и 0,02. для бетона до 0,57 руб/кг для жидкого натрия. Стоимость воды принимается рав­ной 0.

Каковы основные предпосылки для сооружения солнечного дома?

Применение улучшенной теплоизоляции дома, суще­ственно снижающей потребность в теплоте для отопле­ния, а также правильный выбор местоположения и ори­ентации дома. Дом располагают в таком месте, где с учетом ландшафта солнце светит в течение большей час­ти дня, отсутствуют затенение и сильные ветры, от кото­рых дом может быть защищен с северной стороны, хол­мом, деревьями или кустарниками. Дом своей длинной стороной должен быть обращен на юг, а большая часть окон должна быть размещена в южной стене. Южный скат крыши должен иметь угол наклона к горизонту в пределах 25—60°, чтобы можно было совместить колек — тор с крышей.

ТИПЫ КОЛЛЕКТОРОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Основным конструктивным элементом солнечной ус­тановки является коллектор, в котором происходит улав­ливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теп­лоносителя. Различают два типа солнечных коллекто­ров — плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих — с концентрацией, т. е. с увеличением плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпера­турных гелиоустановках является плоский коллектор сол­нечной энергии (КСЭ). Его работа основана на принци­па

image014

пе «горячего ящика», который легко представить себе, если вспомнить, как нагревается на солнце салон закры­того автомобиля, который служит своеобразной ловуш­кой для солнечных лучей, поступающих в него через про­зрачные поверхности остекления. Для того чтобы из­готовить плоский КСЭ, необходима прежде всего луче- поглощающая поверхность, имеющая надежный контакт с рядом труб или каналов для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя обра­зует единый конструктивный элемент — абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверх­ность абсорбера должна быть окрашена в черный цвет или должна иметь специальное поглощающее покрытие. Снижение тепловых потерь от абсорбера в окружающее пространство достигается путем применения тепловой изоляции, закрывающей нижнюю поверхность абсорбера, а также светопрозрачной изоляции, размещаемой над аб­сорбером на определенном расстоянии от него. Все на­званные элементы помещаются в корпус, и производится уплотнение прозрачной изоляции — остекления (рис. 8).

image015Рис. 8. Конструктивные эле-
менты плоского коллектора
солнечной энергии:

/ — остекление; і — яучепогяоща-

tom а я поверхность с трубками для ¥ нагреваемой жидкости; 3 — корпус; 4 — теплоизоляция

Таким образом получается плоский коллектор для нагре­ва жидкости, общий вид которого показан на рис. 9. Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель в плоском коллекторе, не превышает 100 °С и зависит как от климатических данных, так и от харак­теристик коллектора и условий его эксплуатации. Не­смотря на простоту конструкции создание хорошего кол­лектора требует большого искусства. К числу принципи­альных преимуществ плоского КСЭ по сравнению с коллекторами других типов относится его способность
улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и как следствие этого — возможность его стационарной установки без необходимости слежения за Солнцем.

Абсорбер плоского коллектора солнечной энергии, как правило, изготовляется из металла с высокой теплопро­водностью, а именно из стали, алюминия и даже из ме­ди. Для низких рабочих температур его можно также изготовить из пластмассы или резины. Прозрачная изо-

image016Рис. 9. Общий вид плоского коллектора солнечной энергии:

/ — корпус; 2 — теплоизоляция; 3 — лученогловдающая поверхность; 4 — двухслойное остекление; 5 — патрубок для подвода теплоноси­теля {патрубок для отвода нагре­того теплоносителя не показан)

ляция представляет собой один или два слоя стекла или полимерной пленки. Может использоваться комбинация из наружного слоя стекла и внутреннего слоя полимер­ной пленки. В случае низкой температуры нагрева теп­лоносителя (до 30 °С) коллектор может вовсе не иметь прозрачной изоляции. Корпус коллектора может быть изготовлен из оцинкованного железа, алюминия, дерева, пластмассы. В качестве тепловой изоляции могут приме­няться различные материалы: минеральная вата, пено­полиуретан и т. п.

Существуют разнообразные конструкции плоских КСЭ.

Наиболее широко применяемые конструкции абсорбе­ров плоских солнечных коллекторов показаны нарис. 10.

В качестве поглотителя солнечного излучения в коллек­торе типа труба в листе (рис. 10, а) для жидкого теп­лоносителя используется ряд параллельных труб диа­метром 12—15 мм, припаянных или приваренных сверху, снизу или в одной плоскости к металлическому листу и расположенных-на расстоянии 50—150 мм друг от дру-

image017Рис. 10. Схемы абсорберов плос­ких жидкостных коллекторов:

а —труба в листе; б — соединение гофрированного н плоского листов; в — штампованный абсорбер; г — лист с приваренными прямоугольными ка­налами

га. Верхние и нижние’ концы этих tpy6 присоединяются путем пайки или сварки к гидравлическим коллекторам.

image018
image019 Подпись: 7Ш////ЛМЗ г)

В коллекторах для нагрева воздуха (рис. 11) среда движется в пространстве, образованном прозрачной изо­ляцией и лучевоспринимающей поверхностью из метал-

Рис. 11. Схемы плоских воздушных солнечных коллекторов с движе-
нием воздуха под плоским (а), оребренным (б) и гофрированным
(в) абсорбером, через ряд стеклянных пластин (г) и пористую на-
садку (д):

1 — остекление; 2 — абсорбер; 3 — теплоизоляция; 4 — поток воздуха

лического листа плоского (рис. 11, а), с ребрами (рис.
11,6) или гофрированного (рис. 11,в), из стеклянных
пластин, наполовину зачерненных и наполовину про-
зрачных (рис. 11,г), и из пористой насадки (рис. 11,6).

В плоском КСЭ площадь «окна», через которое сол­нечная энергия попадает внутрь коллектора, равна пло­щади лучепоглощающей поверхности, и поэтому плотг

ность потока солнечной радиации не увеличивается. При использовании концентраторов, т. е. оптических устройств типа зеркал или линз, достигается повышение плотности потока солнечной энергии. Это имеет место в фокусиру­ющих коллекторах солнечной энергии, требующих специ­ального механизма для слежения за Солнцем. Зерка­ла — плоские, параболоидные или параболо-цилиндри­ческие — изготовляют из тонкого металлического листа или фольги или других материалов с высокой отража­тельной способностью; линзы — из стекла или пластмасс. Фокусирующие коллекторы обычно применяются там, где

image021

Рис. 12, Концентраторы солнечной энергии:

а — г — параболо-цилиндрический концентратор с трубчатым приемником излуче­ния; б —фоклин; « — параболоидный концентратор; г —линза Френеля; й — поле гелиостатов с центральным приемником излучения; / — отражатель; 2 — приемник излучения

требуются высокие температуры (солнечные электро­станции, печи, кухни и т. п.). В системах теплоснабжения зданий они, как правило, не используются. Некоторые типы концентраторов, используемых в фокусирующих коллекторах, показаны на рис. 12. Плоские КСЭ также могут быть снабжены дешевыми плоскими отражате­лями.

Кроме описанных двух основных типов КСЭ — плос­ких и фокусирующих коллекторов — разработаны и ис­пользуются стеклянные трубчатые вакуумированные коллекторы, солнечные пруды, представляющие собой комбинацию КСЭ и аккумулятора теплоты, и т. п.

Сравнительная характеристика коллекторов различ­ных типов дана в табл. 2.

Таблица 2. Характеристика основных типов солнечных коллекторов

Тип солнечного коллектора

Рабочая температу­ра. °С

КПД коллек­тора. %

Относи­

тельная

требуемая

площадь.

%

, Слежение за Солнцем

Плоский КСЭ

30-100

30-50

100

Не требуется

Солнечный пруд

40—100

15-25

130

Не требуется

Центральный при­емник с полем ге­лиостатов

до 1000

60-75

20—40

Вращение во­круг двух осей

Параболо-цилин­дрический концен­тратор

до 500

50-70

30—50

Вращение во­круг одной оси

Вакуумированный стеклянный труб­чатый коллектор

90—300

40-60

50—75

Не требуется

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И МЕТОДЫ ЕЕ

ПОВЫШЕНИЯ

Показателем эффективности КСЭ является его ко­эффициент полезного действия, равный отношению теи- лопроизводительиости коллектора к количеству солнеч­ной энергии, поступающему на коллектор:

Як — ЯЖВшА),

где Qk — тенлопронзводнтельность коллектора, Вт-ч; Ек — количество солнечней энергии, поступающей на 1 м2 площади поверхности КСЭ, Вт-ч/м2; А — площадь поверхности абсорбера КСЭ, м2.

Величину QK можно определить по расходу теплоно­сителя т, кг/с, его удельной теплоемкости Ср, Вт*ч/ /(кг-°С), и разности температур теплоносителя на вы­ходе Т2 и входе Т КСЭ, т. е. Qt:=tnCp(T2—rt).

Коэффициент полезного действия коллектора солнеч­ной энергии определяется его эффективным оптическим

Зб

КПД tjo и эффективным коэффициентом теплопотерь Кк — Т1« “ Т1о Як (Пі ТвУІщ

где /к — интенсивность потока солнечной энергии, посту­пающего на поверхность КСЭ, Вт/м2; Кк — эффектив­ный коэффициент теплопотерь КСЭ, Вт/(м2-°С); Тв — температура наружного воздуха, °С.

Приведенная выше формула дает мгновенное значе­ние КПД КСЭ, которое может быть принято средним для данного часа суток. Но поскольку интенсивность пото­ка солнечной энергии /к в течение дня изменяется от ну­ля перед восходом и после захода Солнца до максимума в солнечный полдень, также сильно изменяется и КПД КСЭ.

Отсюда следует, что среднедневное значение КПД будет значительно ниже, чем его максимальное значение в полдень.

Возникает вопрос — от чего зависит величина КПД коллектора солнечной энергии? Наиболее сильное влия­ние на КПД плоского КСЭ оказывают: 1) метеорологи­ческие параметры — интенсивность солнечной энергии /, измеряемая на горизонтальной поверхности, и темпе­ратура наружного воздуха Тл; 2) конструктивные ха­рактеристики КСЭ и свойства лучепоглощающей поверх­ности абсорбера — материал и толщина листа, толщина и коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, шаг труб, число слоев остекления и его пропускательная способность; 3) рабочие параметрі* КСЭ — расход теп­лоносителя и его температура на входе в КСЭ.

При сравнении различных материалов, используемых для изготовления абсорбера, — меди, алюминия, стали, пластмассы — установлено, что с увеличением произве­дения толщины листа б на его коэффициент теплопровод­ности А, значение КПД коллектора возрастает. Так, при толщине лучепоглощающего листа в 1 мм из меди, алю­миния, стали или пластмассы [А,=390; 205; 45 и 0,6 Вт/(м-°С) соответственно] КПД КСЭ составляет 52; 50; 48 и 22 %.

В табл. 3 приведены значения коэффициента эффективности оребрения металлического листа лучевоспринимающей поверхности плоского КСЭ в зависимости от материала ребра, его толщины и ша­га трубок для теплоносителя (обычно в пределах 50—150 мм).

Теплотехническое качество лучевоспринимающей поверхности коллектора возрастает при использовании более теплопроводного материала, при увеличении его толщины (хотя влияние здесь иеве-

image022

Таблица 3. Коэффициент эффективности оребрения F’ абсорбера плоского жидкостного коллектора (толщина листа I мм, диаметр труб 25 мм)

Материал

листа

X, Вт/(м — °С)

Шаг труб, мм

50

100

150

Медь

390

0,989

0,972

0,948

Алюминий

205

0,988

0,967

0,934

Сталь

45

0,984

0,925

0,819

лико) и уменьшении шага трубок. Уменьшение диаметра трубок с 25 до 12 мм влечет за собой снижение коэффициента эффективности на 0,03—0,05, но при этом уменьшается общая теплоемкость коллектора и его тепловая инерция, а следовательно, быстрее происходит его прогрев. Зазор между лучевоспринимающей поверхностью и остек­лением и между внутренним и наружным слоями двухрядного остек­ления обычно выбирают в пределах 15—25 мм. Толщина тепловой изоляции нижней поверхности абсорбера принимается равной 50— 75 мм, а боковых поверхностей — 25 мм.

При возрастании интенсивности инсоляции с 300 до 1000 Вт/м2 КПД коллектора увеличивается с 32 до 59 %, а при увеличении температуры наружного воздуха’с 10 до 30 °С КПД возрастает с 41 до 55 %.

Очевидно, что в холодный период года КПД обычного плоского КСЭ весьма низок.

Большое влияние на КПД КСЭ оказывает темпера­тура теплоносителя на входе в колектор: чем она ниже, тем ниже тепловые потери КСЭ и выше его КПД. При увеличении расхода теплоносителя КПД КСЭ возраста­ет до определенного предела, а затем остается постоян­ным, так что существует оптимальный диапазон значений расхода теплоносителя. КПД КСЭ сильно увеличи­вается при применении абсорбера с селективным покры­тием, характеризуемым большим отношением поглоща­тельной ас и излучательной ет способностей. При одно­слойном остеклении изменение степени селективности абсорбера ас/ет с 1 до 12 приводит к увеличению КПД КСЭ с 45 до 60%.

При испытании коллекторов получают зависимость КПД коллектора т)к от отношения у разности температур теплоносителя на входе в КСЭ и наружного воздуха ДТ к плотности потока солнечной энергии /к на поверхность КСЭ. Типичные характеристики плоских и вакуумиро — ванного коллекторов и области их применения показаны на рис. 13. Как видим, характеристика КСЭ изображает­ся прямой линией. Точка ее пересечения с вертикальной осью соответствует эффективному оптическому КПД 1|э при угле падения солнечных лучей 0°, а тангенс угла на­клона прямой к горизонтальной оси — эффективному коэффициенту теплопотерь КСЭ Кк■

image023

Рис. 13. Характеристика коллекторов солнечной энергии:

1 — коллектор без остекления; 2 — коллектор с однослойным остеклением; 5 —
коллектор с двухслойным остеклением; 4 — селективный плоский коллектор с
однослойным остеклением; 5 — стеклянный трубчатой вакуумированный кол-
лектор

Характеристика солнечного коллектора описывается следующей формулой: т)к=,По—КкУ■ При этом оптиче­ский КПД т)0 и коэффициент теплопотерь Кк для кол­лекторов, характеристики которых представлены на рис. 13, равны:

Чо

Вт/(м* • °С)

15

7

5

3,5

2

Неселективный плоский коллектор без остекления 0,95 То же с однослойным остеклением, , , , , о,85 То же с двухслойным остеклением, , . , . 0,75 Селективный плоский коллектор с однослойным

остеклением……………………………………………………. і 0,’8

Вакуум’ированный стеклянный трубчатый коллек­тор, * я, і S, 4 sі Ї I I t I I J 0,75

Оптический КПД определяется произведением коэф­фициента пропускания солнечного излучения прозрачной изоляцией х (для 1—3-слойного остекления T=0,6-w-0,95). и коэффициента его поглощения абсорбером а (а= — 0,85-:-0,98) и не зависит от /к и разности температур ДТ коллектора Тк и наружного воздуха Тв. Тепловые по­тери снижают полезную энергию коллектора и возраста­ет с увеличением разности температур A7Y Диапазон типичных значений коэффициента теплопотерь Кк— = 1,2-*-10 Вт/(м2-°С).

. Из рис. 13 видно, что при «/=Д7’//К<0,013 м2-°С/Вт плоский коллектор без остекления имеет наибЬльший КПД, в Диапазоне значений у до 0,045 м2 -°С/Вт коллек­тор с однослойным остеклением более эффективен, чем коллектор с двумя слоями стекла, при у>0,025 м2-°С/Вт самым эффективным является вакуумированный коллек­тор. Для плавательных бассейнов, работающих летом при высоких значениях температуры воздуха Тв и интенсив­ности сюлнечного излучешш в плоскости коллектора /к’, у мело из-за Малой разности температур ДГ, и наиболее целесообразно использовать дешевые плоские коллекто — рьі без остекления (в-частности, пластмассовые) . Об­ласть (у<0,03 м2-°С/Вт) соответствует применению

солнечных коллекторов для обогрева плавательных бас­сейнов, J5 (у=0,03-г-0,08 м2-°С/Вт) — для горячего во­доснабжения и В (р>0,08 м2-°С/Вт) — для отопления.

Для горячего водоснабжения требуетсд разность тем­ператур Д7’=20-=-50°С, и чтобы при средней и невысо­кой интенсивности солнечного излучения, скажем, 300— 500 Вт/м2, давать полезную энергию, требуются неселек­тивные коллекторы с одним-двумя’ слоями остекления или селективный коллектор С ОДНОСЛОЙНЫМ остеклением. Применение двух слоев остекленйН сиижает тепловые потери, но одновременно, увеличивает оптические поте­ри. Для отопления зданий требуется большая разность

температур АТ, которую могут обеспечить только высо­коэффективные коллекторы, например вакуумирован — ные или плоские с селективным абсорбером.

Объем промышленного производства солнечного обо­рудования в СССР явно не отвечает современным тре­бованиям. В частности, солнечные коллекторы выпуска­ются на Братском заводе отопительного оборудования. Там производится плоский коллектор для нагрева жид­кости, представляющий собой плоскую лучепоглощаю — щук» стальную панель с каналами для воды, помещенную в корпус с однослойным остеклением и тепловой изо­ляцией тыльной стороны абсорбера (рис. 14,а). Габа­риты выпускаемого модуля КСЭ 1530 x 630×98 мм, пло­щадь лучепоглощающей поверхности абсорбера 0,6 м2. масса 50,5 кг (в стальном корпусе), стоимость 37 руб. Другими организациями — ПО «Спецгелиотепломон — таж» в г. Тбилиси, опытными производствами институ­тов КиевЗНИИЭП и ФТИ АН УзССР в г. Ташкенте:— в небольших количествах выпускаются КСЭ аналогич­ного типа (рис. 14, б и в) с использованием стальных па-, нельных радиаторов типов РГС — или ЗС, имеющих площадь лучепоглощающей поверхности 0,62—0,72 м2, массу от 32 до 36 кг (в алюминиевом корпусе) и стои­мость 46—50 руб. за модуль. Абсорбер покрыт черной краской марок ПФ, НЦ, КО, ХВ или ВТ с добавлением сЯжи. Коллектор имеет одно — или двухслойное остекле­ние и тепловую изоляцию. Коэффициент теплопотерь при однослойном остеклении — около 10 Вт/(м2’°С). Объем производства КСЭ на Братском заводе 100 тыс. м2 КСЭ в /од. Планируется довести производство до 1 млн. м2.в год и улучшить оптико-теплотехнические ха­рактеристики КСЭ, снизив коэффициент теплопотерь до 2,3 Вт/(м2-°С).

За рубежом во многих странах организовано массовое промыш­ленное производство коллекторов солнечной энергии. Первое место в мире по количеству установленных КСЭ- занимают США, где об­щая площадь коллекторов составляет (по данным 1988 г.) 10млн. м*, второе место — Япония (8 млн. м2 КСЭ), далее следуют: Израиль — 1,75 млн. м2, Австралия — 1,2 млн. м*. На одного жителя приходится в Израиле 0,45, в Австралии—0,08, в США, Греции и Швейцарии — 0,06 м* площади КСЭ.

Повышение тепловой эффективности солнечных кол­лекторов может быть достигнуто путем применения: кон­центраторов солнечного излучения; селективно-поглоща-

А

-*1

image024

ющего покрытия абсорбера; вакуумирования пространст­ва внутри коллектора; нескольких слоев прозрачной изо­ляции; сотовой ячеистой структуры в пространстве между абсорбером и остеклением и антиотражательных покры­тий на остеклении.

В результате применения указанных методов снижа­ются тепловые потери коллектора и повышается его КПД.

Селективные поверхности для КСЭ. Наиболее эффек­тивный способ повышения КПД плоских коллекторов солнечной энергии связан с применением селективно — погловдающих покрытий. Второй способ состоит в изме­нении оптических свойств прозрачной изоляции с целью увеличения ее отражательной способности рт по отно­шению к тепловому излучению абсорбера и пропуска — тельной способности тс для солнечного излучения.

Селективные покрытия для лучепоглощающей по­верхности солнечного коллектора должны обладать вы­соким коэффициентом поглощения etc коротковолнового солнечного излучения (короче 2 мкм), низкой излуча­тельной способностью ет в инфракрасной области (длин­нее 2 мкм), стабильной величиной степени селективнос­ти ссс/єт, способностью выдерживать кратковременный перегрев. поверхности, хорошей коррозионной стойкос­тью, быть совместимыми с материалом основы и иметь низкую стоимость. Для идеальной селективно-поглоща — щающей поверхности ас=1 и ет=0, а для идеальной прозрачной изоляции тс= 1 и рт=1.

Увеличение осс влияет на эффективность КСЭ в боль­шей степени, чем аналогичное умейьшение ет. Однако получить высокое значение ас нелегко. Для черной крас­ки осс не превышает 0,95, такое же значение имеет и ет. Селективные покрытия, как правило, представляют со­бой тонкопленочные фильтры, и при увеличении etc за счет утолщения пленок одновременно возрастает ет. Са­мый распространенный тип селективных покрытий — это тонкие пленки на металлической основе, поглощаю­щие видимый свет и пропускающие инфракрасное излу­чение (ИК). Сюда, в частности, относятся покрытия из черного никеля и черного хрома, наносимые электро­химическим способом на подложку из никеля, цинка, олова или меди. Применяются и другие способы нанесе­ния покрытий этого типа. Селективные краски получают из прозрачных в ИК-области полупроводников в виде мелкого порошка с большой порозностью для снижения эффективного коэффициента отражения поверхности.

Покрытие черным хромом наиболее перспективно для получения требуемых оптических свойств и высокой термической стабильности при температурах до 400 °С (в вакууме). Но плотность электрического тока при на­несении черного хрома почти в 100 раз выше, чем для черного никеля, отсюда и высокая стоимость селектив —

в зависимости от длины волны Я излучения

Подпись: ных поверхностей с черным хромом. В качестве подложки для черного никеля и черного хрома используются ' полированные металлы. На рис. 15 показано изменение отражательной способности р покрытия черным хромом

Наилучшие результаты получены с черным хромом на алюминиевой фольге (ас=0,964 и ет=0,023) и с черным никелем на блестящей никелевой подложке (ас—0,96 и Єт=0,11).

image026Рис. 15. Зависимость коэффи­циента отражения от длины волны для селективной погло­щающей поверхности из черно­го хрома

В настоящее, время достигнуты значения степени се — лективности. т. е. ас/e*—*10-г20. При степени селектив­ности 20—40 равновесная температура лучепоглощаю — щей поверхности коллектора (без ее охлаждения тепло­носителем) достигает 350—600 °С. На остекление может быть нанесейб антиотражательное покрытие из диоксида индия. На полированную поверхность металлического листа, обладающую высокой отражательной способнос­тью й, следовательно, низким значением ет, можно нане­сти слой сажи,, при .этом коэффициент поглощения ас солнечного излучения возрастет до 0,96.

Способы получения селективных поглощающих покрытий. Наи­более простой способ получения селективной поверхности — это хи­мическое окисление меди, используемой в качестве подложки на других металлах, при этом получается поглощающий слой окиси меди! Рассмотрим способы нанесения покрытий из черного никеля в черного хрома на сталь с подложкой из блестящего никеля, кото­рый можно нанести в электролитической ванне,, содержащей 180 г/л №S0t-6H20, 40 г/л борной кислоты и 40 г/л NiCla при температуре — 50°С, рН=4 и силе тока 3,5—4,5 А/дма. Черный никель наносят вванне, содержащей 65 г/л NiS04*6Hj0, 20г/л. ZnSOi^HjO, 30г/л (NH4)2S04 и 11 г/л NHtCNS при температуре 25—30°С и плотности тока 0,05—2 А/дм2. Покрытие из черного хрома представляет собой пленку, состоящую из мельчайших частиц металлического хрома в изолирующей решетке СггОз — Дри обычном способе нанесения это­го покрытия требуется высокая плотность электрического тока (75—150 А/дм2) при температуре 10—15 °С, т. е. с охлаждением.

Разрабатывается способ нанесення, осуществляемый при 20—60 "С и плртностн тока 7,5 А/дмг. Состав ванны для нанесения черного хрома на мягкую сталь: Сг20з — 300 г/л,_ВаСОз — в количестве, до­статочном для удаления всех ионов NO4, сахароза — 3 г/я, фторси — ликат — 0,5 г/л; температура 12—15 °С, плотность тока 32—36 А/дм*.

Способы нанесения пок-рытий постоянно совершенствуются.

Для плоских солнечных коллекторов лучше всего подходят се­лективные черные поглощающие краски.

Солнечные коллекторы с тепловыми трубами. В по­следние годы разработаны конструкции КСЭ с исполь­зованием тепловых труб. Как известно, тепловая труба представляет собой вакуумироваиное герметичное уст­ройство в виде трубы или плоского канала с продольны­ми канавками или капиллярно-пористым телом—фитилем на внутренней поверхности канала, частично запол­ненного рабочей жидкостью. При подводе тепдоты жид­кость в одной части тепловой трубы — в испарительной зоне—испаряется и образующиеся пары переносятся в зону отвода теплоты (в зону конденсации), где они кон­денсируются, и по капиллярной структуре жидкость воз­вращается в зону испарения. г

Подпись: Рис. 16. Конструкция солнечного коллектора с плоской тепловой / — остекление: 2 — теплова* труба (испарительная зона); 3 — конденсационная зона; 4— труба для отвода теплоты: 5 —теплоизоляция; 6 — корпус

Возможен широкий выбор рабочих жидкостей, в ча­стности могут использоваться дистиллированная вода,

трубой:

ацетон и хладагенты при низких температурах. В тепло­вой трубе без фитиля, называемой термосифоном, воз­врат конденсата в- зону испарения происходит под дей­ствием силы тяжести, поэтому тепловая труба этого ти­па может работать лишь при условии расположения зоны конденсации выше зоны испарения. Для К. СЭ с теп­ловой трубой характерны: высокая плотность потока пе­редаваемой теплоты и большая компактность устройст­ва, передача теплоты в одном направлении—из зоны испарения в зону конденсации, отсутствие расхода энер­гии на перенос среды, передача теплоты при малой раз­ности температур, саморегулируемость. Поскольку в низ­котемпературных гелиотермических установках исполь­зуются в основном плоские КСЭ, в них целесообразно использовать плоские тепловые трубы — термосифоны. Выбрав должным образом заполнитель, можно полнос­тью исключить проблемы, связанные с коррозией и за­мерзанием системы. На рис. 16 показан пример конструк­тивного выполнения КСЭ с тепловой трубой. Масса КСЭ 25 кг на 1 м2 площади поверхности.

Вакуумированные стеклянные трубчатые коллекторы. Известно, что поддержание вакуума ниже 1,33 Па в про­странстве между лучепоглощающей поверхностью абсор­бера и прозрачной оболочкой наряду с одновременным применением селективных покрытий на поверхности аб­сорбера существенно повышает эффективность КСЭ бла­годаря почти полному исключению тепловых потерь пу­тем теплопроводности и конвекции, с одной стороны, а также повышению поглощательной способности и сни­жению потерь теплоты путем излучения, с другой.

Возможны различные варианты конструктивного выполнения вакуумированных стеклянных трубчатых коллекторов (ВСТК). Некоторые из них показаны на рис. 17 (в разрезе) и 18. Внутри стеклянной оболочки 1 из высококачественного боросиликатного стекла диа­метром 100—150 мм помещаются трубка для теплоноси­теля, лучепоглощающая поверхность, отражатель. Трубка может иметь U-образную форму (а и в) или представ­ляет собой тепловую трубу (б и а). Внутреннее простран­ство оболочки вакуумировано. Отражатель может быть выполнен в виде фоклина (в), может составлять часть оболочки (г) или находиться в виде полос на боковых стенках вакуумированных труб, используемых в качест­ве прозрачной изоляции (д). В конструкции, показанной

на рис. 17, д, лучепоглощающая поверхность расположе­на под вакуумированными трубами и надежно соедине­на с трубками для нагреваемой жидкости, помещенными в теплоизоляцию. Обычно модуль коллектора включает ряд (до 10) стеклянных вакуумированных труб, присое­диненных к общей трубе, по которой движется нагревав* N мая жидкость. Как правило, модуль помещается в теп­лоизолированный корпус. В конструктивном отношении слабым местом является узел соединения стеклянных и металлических деталей, имеющих различные коэффи­циенты линейного расширения при нагревании.

Итак, для повышения эффективности вакуумирован — ных коллекторов используются селективные покрытия, отражатели и т. д. На внутреннюю поверхность верхней части стеклянной оболочки наносят покрытие, например из диоксида индия, обладающее хорошей отражательной способностью для теплового (инфракрасного) излучения и не влияющее на коэффициент пропускания коротковол­нового солнечного излучения. На дучепоглощающую по­верхность абсорбера наносят селективное покрытие

image028

image029

Рисі 17. Поперечное сечение вакуумированных стеклянных трубча­тых коллекторов:

I—стеклянная оболочка; 2 — трубка для нагреваемой жидкости; 3 —лучепо­глощающая поверхность; 4 — отражатель; 5 — теплоизоляция

с большой величиной отношения ас/єт, например из чер­ного хрома, благодаря чему снижаются оптические по­тери КСЭ и потери теплоты путем излучения и повыша­ется КПД. Нижняя поверхность стеклянной оболочки может быть выполнена зеркальной. Отражающая поверх­ность может быть размещена под стеклянной оболочкой На небольшом расстоянии от нее. Это способствует повы­шению КПД солнечного коллектора благодаря исполь­зованию рассеянного излучения.

image030

Рис. 18. Общий вид вакуумированвого стеклянного трубчатого кол­лектора:

/ — вакуумировавнля стеклянная оболочка; 2 — труба для нагреваемой жид-
кости; 3 —соединение металла со стеклом

В качестве теплоносителя используются различные среды, в частности вода, растворы органических ве­ществ, силиконовое масло. Температура нагрева тепло­носителя достигает 90—300 °С.

Коллекторы с прозрачной сотовой ячеистой структу­рой. В обычных плоских КСЭ практически невозможно получить температуру, превышающую температуру на­ружного воздуха более чем на 100 °С, из-за высоких по­терь теплоты при повышенных температурах. Одним из эффективных методов снижения потерь теплоты в КСЭ является применение прозрачной сотовой структуры, располагаемой между остеклением и лучевоспринима — ющей поверхностью абсорбера и обеспечивающей подав­ление конвективного и частично лучистого теплообмена. По Своей конструкции структура напоминает пчелиные соты и состоит из продолговатых ячеек круглого, пря-

моугольного или шестиугольного сечения, изготовленных из стекла или пластмассы.

В КСЭ с прозрачной ячеистой структурой, предназна­ченной для подавления конвекции воздуха, можно на­греть теплоноситель до 250 °С. Материал для ячеек должен иметь небольшую толщину (0,5 мм), низкий коэф­фициент теплопроводности и низкую удельную теплоем­кость. Диаметр ячеек не должен превышать 5 мм, а от­ношение их высоты к диаметру должно быть в пределах 5—15. Кроме того, материал ячеек должен выдерживать достаточно высокие рабочие температуры.

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, а).

image031

Рис. 19. Годовой (а) и суточный (б) ход поступления солнечной энергии (Е) и тепловой нагрузки (Q), 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 (Q) необходимо улавливать солнеч­ной энергии (Е) больше, чем требуется в данный момент (Ei), а ее избыток (Е2) 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 емкостного 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

Таблица 4. Сравнение некоторых теплоаккумулируюздих материалов

Характеристика ТАМ

Гранит,

галька

Вода

Глауберова соль (декагидрат сульфата натрия)

Парафин

Плотность, кг/м*

1600

1000

1460х

1330*

786і

Теплоемкость,

кДж/(кг-К)

0,84

4,2

1,92і

3,26*

2,89і

Коэффициент теплопро­водности, Вт/(м-К)

0,45

0,6

1,85і

1,714*

0,498і

Масса ТАМ для аккуму­лирования 1 ГДж теп­лоты при ДГ=20 К. кг

59 500

11 900

3300

3750

Относительная масса ТАМ по отношению к массе воды, кг/кг

5

1

0,28

0,32 ,,

Объем ТАМ для акку­мулирования 1 ГДж теплоты при ДГ»20 К,

49,6*

11,9

2,26

4,77

Относительный объем ТАМ по отношению к объему воды, м3/м*

4,2

1

0,19

0,4

Примечания: 1. Обозначения степени следующие: т — твердое — сос­тояние; ж — жидкое состояние; * — с учетом объема пустот — 26%.

2. Температура я теплота плавления: парафин — 47 °С я 209 яДж/иг; гла­уберова соль — 32 °С я 251 вДж/кг.

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

Q = тСр(Тл — Ті),

где m — 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.

image032

Рис. 20.. Аккумуляторы тенлоты емкостного типа — водяной (а) и галечный (б):

) — теплообменник; 2 — холодная воде; 3 — горячая вода; 4 — теплоизолиро­ванный бак (бункер); б —слов гальки; б—решетка; 7, б —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. ГД ж 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-

image033

Рис. 21. Баки — аккумуляторы горячей воды:

а,—бак с подводом холодной воды снизу и внутренними перегородками; б — бак с поплавковым клапаном для Подвода холодной воды; в — бак с подводом теплоты из КСЭ через теплообменник; г — секционированный бак с электро­нагревателем; /.— теплоизолированный корпус; 2 — перегородка; 3 — подвод холодной воды; 4 — отвод горячей воды; 5 — поплавковый клапан; б —опуск­ная трубр; 7 — теплообменник; 4 — электронагреватель; 9 — теплообменник

ственной и принудительной 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 из­готовлен 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 бака, 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 в и г—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 8=0,4 и плотности частиц 1850 кг/м3 требу­ется объем галечного аккумулятора, равный V=m/p (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 теплоем­кость гальки с«0,88кДж/(кг-К) или 1630кДж/(м3-К)]: <2—тс{Ттч — Ткоя) = 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

image034

Рис. 22. Общий вид млечного аккумулятора:

/ — крышка; І — бункер; а —бетонный блок; 4 — теплоизоляция; 5 —сетка;

6 — галька

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 СаСІ2;6Н20 или глауберова соль NajSO*- 10Н2О, 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)].