В большинстве случаев солнечные коллекторы прида* ют оригинальный и привлекательный вид дому. А вот ар­хитектурный облик старинных домов не следует нару­шать, и размещать солнечные коллекторы следует так, чтобы они не бросались в глаза.

Какая требуется площадь в доме для размещения оборудования гелиоустановки?

В доме размещают аккумулятор теплоты и вспомо­гательное оборудование. Для солнечного водонагревате­ля требуется 1 м2 площади, для установки отопления и горячего водоснабжения — 4 м2. Для совершенной гелио­установки требуется аккумулятор теплоты объемом 5 м3, который может быть размещен в доме или под ним.

В настоящее время вопросам использования возоб­новляемых источников энергии уделяется серьезное вни­мание. Эти источники энергии рассматриваются как суще­ственное дополнение к традиционным. Среди возобнов­ляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеме­стной распространенности наиболее перспективна.

В нашей стране потребляется около 20 % всего миро­вого производства первичных энергоресурсов, однако се­бестоимость органического топлива растет быстрыми темпами, обостряются экологические проблемы, связан­ные с загрязнением окружающей среды топливоисполь­зующими установками, особенно при увеличении масш­табов потребления низкосортного твердого топлива. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоре­сурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотер­мальной энергии, наряду с внедрением энергосберегаю­щих технологий.

Имеются довольно широкие возможности применения солнечных установок для индивидуальных потребите­лей, особенно в сельской местности. Расширение масшта­бов применения солнечных установок не только даст зна­чительную экономию энергоресурсов, но и позволит смяг­чить экологическую ситуацию.

— В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, пионерлагерей, дачных посел­ков, а также для обогрева открытых и закрытых плава­тельных бассейнов, спортивных сооружений, душевых. Конкурентоспособны по сравнению с традиционными уста­новками гелиосушилки для сена, лесоматериалов и сельскохозяйственных продуктов. В сухом жарком кли­мате Средней Азии рационально использовать установки

для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйст­венных объектов, птичников, хранения скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т. п.

В сфере сельскохозяйственного производства приме* нение недорогих воздушных коллекторов солнечной энер­гии поможет решить проблему отопления животноводче­ских ферм. Также щелесообразно интенсифицировать работы по использованию солнечной энергии для отопле­ния теплиц. Подогрев воды на фермах позволит улуч­шить условия труда и содержания животных. Солнечные установки отопления требуют значительных капитало­вложений, которые обычно не окупаются за предполага­емый срок службы установок в 20 лет в районах, лежа­щих севернее 45° с. ш. Однако даже в холодном климате скандинавских стран — Швеции и Финляндии — реализо­ваны крупномасштабные демонстрационные проекты солнечных систем теплоснабжения с применением тепло­вых насосов и сезонных аккумуляторов теплоты, позво­ляющих покрывать практически всю нагрузку отопления за счет солнечной энергии. Особенностью этих систем яв­ляется аккумулирование теплоты солнечной радиации, по­ступающей в летний период, в больших подземных резер­вуарах или шахтныд выработках и использование этой теплоты, а также энергии окружающей среды (грунта, грунтовых вод и т. п.) для отопления зданий в зимний период. Эти системы пока экономически нерента­бельны, так как требуют больших капиталовложе­ний. В перспективе, по мере роста цен на топливо и сни­жения стоимости гелиосистем и их элементов, особенно сезонного аккумулятора теплоты, появится возможность создания централизованных систем солнечного тепло­снабжения с незначительным потреблением электриче­ской и тепловой энергии.

В районах с годовым приходом солнечной радиа­ции не менее 1200 кВт-ч/м2 при эффективном использо­вании этой энергии можно будет обеспечить до 25 % теплопотребления в системах отопления, до 50 % —в си­стемах горячего водоснабжения и-до 75% — в систе­мах кондиционирования воздуха. Благодаря этому суще­ственно снизится расход органического топлива и загряз­нение воздушного бассейна вредными газовыми выбро­сами, содержащими оксиды азота и серы. Если перевести на солнечное теплоснабжение 10 % потребителей сельских районов, расположенных южнее 50° с. ш., мож­

но экономить 1,7 млн. т условного топлива в год[1], а про­гнозируемая экономия топлива в стране в 2000 г. достиг­нет 20—30 млн. т условного топлива. Применение сол­нечных установок не только замещает дефицитное топливо, но и предотвращает загрязнение окружающей среды вредными выбросами топливоиспользующих уста­новок. В удаленных от источников энергоснабжения рай­онах использование солнечной энергии (наряду с энер­гией ветра) является практически единственной альтер­нативой и позволяет значительно улучшить условия жизни населения.

Для расширения масштабов использования экологи­чески чистой солнечной энергии в народном хозяйстве страны в ближайшие 20—30 лет необходимо организо­вать производство высокоэффективного гелиотехническо­го оборудования различного назначения. Наиболее про­сты в конструктивном отношении солнечные водонагрева­тельные системы, имеющие годовой КПД 30—50%. Повышение эффективности гелиосистем отопления и ох­лаждения зданий связано с применением более совер­шенного гелиотехнического оборудования в сочетании с оптимальными архитектурно-теплотехническими решени­ями, направленными на сокращение тепловых потерь и соответствующее снижение потребности в энергии, а так­же на использование конструкции самого здания для улавливания солнечной энергии.

Основная проблема в использовании солнечной энер­гии для отопления индивидуальных домов в нашей стра­не — отсутствие массового производства солнечных кол­лекторов, аккумуляторов солнечной энергии и другого оборудования. Ключевой вопрос — разработка, оптими­зация, конструирование и производство гелиоустановок, имеющих высокую эффективность при допустимых ка — питалозатратах.

В сельской местности уже сейчас и в ближайшей перспективе можно использовать солнечную энергию для нагрева воды и отопления жилых и производственных помещений, сушки сельскохозяйственной продукции, вы­ращивания овощей, цветов, рассады, опреснения воды и ‘получения умеренного холода. Хотя нет сомнений в том, что наиболее эффективные в энергетическом и экономи­ческом отношении установки могут быть получены лишь в условиях крупномасштабного серийного производства с использованием современных технологий, тем не менее кооператоры и «индивидуалы» могут внести достойный вклад в решение проблемы использования солнечной энергии.

В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использо­вавшийся для перекачки воды. В конце XVIII в. веду­щий французский химик А. Лавуазье создал первую сол­нечную печь, в которой достигалась температура в 1650 °С и нагревались, образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода н платины. В 1866 г, француз А. Му — шо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и привода насосов. На всемирной выставке в Париже в і878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон по­строил солнечный воздушный двигатель с пароболо­цилиндрическим концентратором размером 4,8X3,3 м. Тогда же француз А. Пифф построил паровой двигатель мощностью 500 Вт с концентратором плоицдыо около 10 м2, который приводил в действие печатный станок в типографии, где издавалась газета «Ле Солей» («Солн­це»).

Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20 м2 и использовался в тепловом двигателе, работаз — шем на аммиаке. В 1885 г. была предложена схема солнеч­ной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к Дому.

Первая крупномасштабная установка для дистилля­ции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в те­чение 30 лет, поставляя питьевую воду для руд­ника.

Английский изобретатель А. Г, Инеас построил в шта­те Аризона (США) большие солнечные концентраторы для производства водяного пара давлением 10 бар, ис­пользовавшегося для перекачки воды с расходом до 320 м3/ч. Концентратор параболической формы имел диаметр 10,2 м в верхней части и 4,5 м внизу, 1788 зер­

кал направляли лучи на котел, расположенный в фокусе концентратора.

В 1890 г. проф. В. К. Церасский в Москве осуществил процес плавления металлов солнечной энергией, сфоку­сированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 °С.

В зарубежной и отечественной литературе отсутству­ют практические пособия по конструированию, изготов­лению и монтажу солнечных установок коммунально­бытового и сельскохозяйственного назначения небольшой мощности непосредственно на приусадебных участках. Данная книга должна восполнить пробел и помочь за­интересованным лицам построить простую гелиоустанов­ку самостоятельно.

В книге даны общая картина и перспективы исполь­зования солнечной энергии в СССР и за рубежом, опи­саны конструктивные особенности, методы расчета, из­готовления и монтажа солнечных установок для инди­видуальных потребителей и сельского хозяйства. В ней читатель найдет ответы на вопросы о том, как работают солнечные установки различного назначения, для каких целей наиболее целесообразно использовать солнечные установки в настоящее время и в ближайшей перспек­тиве, как самим изготовить солнечные установки и т. н.

Автор с благодарностью примет все замечания по книге, которые просит направлять в издательство по ад­ресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энер- гоатомиздат.

Автор

Глава первая

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ СОЛНЕЧНОЙ
РАДИАЦИИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Солнце — гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса (2-Ю30 кг) в 333 тыс. раз пре­вышает массу Земли, а объем в 1,3 млн. раз больше объ­ема Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14% гелия и 0,1 % азота. Средняя плотность вещест­ва Солнца равна 1400 кг/м3, а в его центре она достигает 76000 кг/м3. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд, кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромаг­нитных волн различной длины. Мощность потока сол­нечного излучения составляет 4• 1023 кВт. В центре Солн­ца давление достигает огромного значения в 2- 1Q10 МПа /(около 204 млрд, ат), а температура по разным оценкам составляет 8—40 млн. К, температура фотосферы на по­верхности Солнца приблизительно равна 5900 К.

Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212 г. до н. э. с помощью концентрирован­ных солнечных лучей зажигали священный огонь у хра­мов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий ученый Архимед при защите родного города поджег паруса кораблей римского флота.

Солнечная радиация — это неисчерпаемый возобнов­ляемый источник экологически чистой энергии. На Зем­лю попадает незначительная доля излучаемой Солнцем энергии, причем 95 % поступающей солнечной энергии —• это коротковолновое излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,4 мкм.

Верхней границы атмосферы Земли за год достигает коток солнечной энергии в количестве 5,6 -1024 Дж. Ат­мосфера Земли отражает 35 % этой энергии, т. е. 1,9Х XIО24 Дж, обратно в космос, а остальная энергия расхо­дуется на нагрев земной поверхности (около 2,4- 1024 Дж), испарительно-осадочный цикл (около 1,3-1024 Дж) и об­разование волн в морях и океанах, воздушных и океан­ских течений и ветра (около 1,2-1022 Дж). Мощность потока солнечного излучения у верхней границы атмос­феры Земли равна 1,78-1017 Вт, а на поверхности Зем­ли 1,2-1017 Вт.

Плотность потока солнечной энергии /0 у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную пер­пендикулярно направлению солнечных лучей, составляет 1353 Вт/м2 и называется солнечной постоянной, а сред­нее количество энергии £0.н, поступающей за 1 ч на 1 м2 этой поверхности, равно 4871 кДж/(ч-м2). Вследствие вращения Земли вокруг Солнца по эллиптической орби­те расстояние между ними в течение года изменяется в пределах 150 млн. км±1,7 %, а часовое количество вне­атмосферной солнечной энергии, поступающей на 1 м2 нормальной поверхности, изменяется в течение года ме­нее чем на 7 % — от 4710 до 5036 кДж/(ч — м2).

Годовое количество поступающей на Землю солнеч­ной энергии составляет 1,05-1018 кВт-ч, причем на по­верхность суши приходится только Vs часть этой энергии, т е. 2-Ю17 кВт-ч. (Заметим, что 1 кВт-ч = 3600 кДж, а 1000 кДж=278 Вт-ч.) К этому, добавляются энергия ветра (1,58-1016 кВт-ч в год с мощностью 1,8-1012 кВт) и другие косвенные виды солнечной энергии.

Без ущерба для экологической среды может быть ис­пользовано 1,5 % всей падающей на Землю солнечной энергии, т. е., 1,62-1016 кВт-ч в год (что эквивалентно огромном^ количеству топлива — 2-1012 т условного топ­лива), при этом мощность потока энергии составляет 1,85-1012 кВт.

Распределение глобального потока солнечной радиа­ции на поверхности земного шара крайне неравномерно. Количество солнечной энергии, поступающей за год на 1 м2 поверхности Земли, изменяется приблизительно от 3000 МДж/м2 на севере до 8000 МДж/м2 в наиболее жар­ких пустынных местах (рис. 1).

Среднегодовое количество солнечной энергии, посту­пающей за 1 день на 1 м2 поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м2 на севере до 21,4 МДж/м2 в пустынях и

тропиках. Среднегодовая плотность потока солнечного излучения составляет 210—250 Вт/м2 в субтропических областях и пустынях, 130—210 Вт/м2 в центральной час­ти СССР и 80—130 Вт/м2 на севере СССР. Пиковая плотность потока солнечной энергии достигает 1 кВт/м2.

Солнечное излучение у верхней границы земной ат­мосферы приблизительно соответствует излучению абсо­лютно черного тела с температурой 5900 К и включает ультрафиолетовое излучение (длина волн Я от 0,2 до 0,4 мкм), видимый свет (Я от 0,4 до 0,78 мкм) и инфра­красное излучение с более длинными волнами. Макси­мум интенсивности солнечного излучения приходится на длину волны 0,5 мкм.

При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается и поглощается мо­лекулами озона, воздуха и водяного пара, а также час­тицами пыли — это приводит к ослаблению прямого солнечного излучения и появлению диффузного., (рас­сеянного) излучения. Часть энергии, поглощенной и рас­сеянной газовыми частицами, возвращается обратно в космическое пространство, а основной ее поток достигает поверхности Земли в виде рассеянного (диффузного) излучения. Доля рассеянного (диффузного) излучения в

общем потоке поступающей солнечной радиации зависит от географических и климатологических факторов и из­меняется в течение года. Так, в Киеве она изменяется от 0,39 в июле до 0,75 в декабре, в Москве — соответственно от 0,54 до 0,8, в Ташкенте — от 0,19 до 0,5, а в Ашхаба­де ■— от 0,3 до 0,5. В табл. 1 показано распределение среднемесячного дневного поступления солнечной энер­гии на 1 м2 горизонтальной поверхности на всех широ­тах ■— от экватора до северного полюса.

На рис. 2. показано спектральное распределение ин­тенсивности прямого солнечного излучения / у верхней границы атмосферы и на уровне моря в сравнении с из­лучением абсолютно черного тела при, температуре 5900 К — На рис. З приведено изменение суточного прихо­да суммарного солнечного излучения на вертикальные поверхности с южной (а) и восточной или западной (б) ориентацией, расположенные на различных широтах — на экваторе (3), северном полюсе (СП), у полярного круга (ПК) и на широте 30, 42, 50 и 60° с. ш.

В весенне-летний период (с 21.03 до 22.09) поступле­ние солнечной энергии на вертикальную поверхность в районе северного полюса максимальное, и с продвиже­нием на юг оно уменьшается и на экваторе достигает минимального значения — нуля — для поверхностей южной ориентации. В то же время в период с 22.09 до 21.03 поток солнечной радиации на вертикальную поверх­ность у северного полюса равен нулю, для поверхностей с восточной или западной ориентацией он максимален на экваторе и уменьшается при удалении от экватора, а за­висимость поступления солнечной радиации на южные вертикальные поверхности от широты местности более сложная.

Потенциал солнечной энергии можно охарактеризо­вать среднегодовым значением прихода солнечной ради­ации на 1 м2 горизонтальной поверхности. Годовое по­ступление солнечной энергии на территории стран СЭВ характеризуется следующими данными (в кВт-ч/м2): СССР — от 800 (68° с. ш.) до 2000 (39° с. ш.); ГДР. ЧСФР и Польша — 950—1050; Венгрия — 1200; МНР — 1750; Куба — 1900; Болгария — 2000.

Годовой поток солнечного излучения на территории СССР изменяется в широких пределах. Так, на 1 м2 го­ризонтальной поверхности на северных островах и севе­ро-восточной оконечности Сибири за год поступает всего 550—830 кВт-ч, на большей части европейской территории и Сибири — 830—1100 кВт-ч, в южных рай­онах Украины, Молдавии, Поволжья, Сибири и Дальнего Востока — 1100—1380 кВт-ч, в Закавказье и Средней Азии — 1400—1600 кВт-ч, в пустынных районах Турк­мении — 2000 кВт-ч и более.

Годовое число часов солнечного сияния равно: в Тур­кмении — 3100, Узбекистане и Таджикистане — 2815— 2880, Казахстане и Киргизии — 2575—2695, Армении. Грузии и Азербайджане — 2125—2520, Украине и Мол­давии — 2005—2080.

Условия для использования солнечной энергии в СССР наиболее благоприятны в республиках Средней Азии, Казахстане, Нижнем Поволжье, Северном Кавка­зе и республиках Закавказья, на юге Украины и Сибири, в Молдавии. В Средней Азии продолжительность све­тового дня в июне достигает 16 ч, в декабре — 8—10 ч. Здесь в году 300 солнечных дней, продолжительность солнечного сияния 2500—3100 ч в год, а летом — 320—

400 ч в месяц. В районах, благоприятных для использо­вания солнечной энергии, проживает около 130 млн. че­ловек, в том числе более 60 млн. в сельской местности.

В центральной части СССР за летнее полугодие, ког­да теплопотребление минимально, на Землю поступает около 2/з всего годового количества солнечной энергии, а в июле приход солнечной энергии в 5—10 раз больше, чем в декабре.

В табл. П1 приведены данные по дневным потокам суммарной и рассеянной (диффузной) солнечной энер­гии, поступающим на горизонтальную поверхность в течение года в наиболее крупных городах Советского Со­юза. Там же указаны среднемесячные значения темпера­туры наружного воздуха в этих городах. Эти данные не­обходимы для выполнения расчетов солнечных устано­вок.

К солнечной энергии добавляются другие возобнов­ляемые источники энергии, среди которых наибольшим потенциалом для практического использования облада­ет энергия ветра и биомассы. Потенциальные ресурсы ветровой энергии в СССР составляют 8- 1012 кВт-ч/год, а технически реализуемая мощность — 2-Ю10 кВт. В СССР разработаны ветроэнергетические установки (ВЭ5^) мощностью 30 и 100 кВт. За рубежом, например,, в США, ФРГ, Швеции, Дании и др., эксплуатируется большое количество больших и малых ВЭУ. В США в 1986 г, суммарная мощность 30 тыс. ВЭУ составляла 1500 МВт, в том числе 7 ВЭУ имели мощность 25ь— 72 МВт, а — себестоимость электроэнергии от ВЭУ состав­ляет 0,03—0,06 долл/(кВт-ч).

Годовая продукция фотосинтеза, в результате кото­рого образуется биомасса, составляет 57-1012 кг угле­рода, при этом накопленная энергия биомассы в десятки раз превосходит годовую потребность человечества в энергии.

Поступление солнечной энергии увеличивается с уве­личением высоты местности. Более того, благодаря бо­лее чистой атмосфере в горах интенсивность солнечного излучения там значительно выше, чем в равнинных, осо­бенно индустриальных районах. Загрязнение атмосферы в больших городах и промышленных зонах существенно снижает уровень солнечной радиации, поступающей на поверхность солнечного коллектора.

При разработке технического задания и эскизном про­ектировании пассивной гелиосистемы отопления учитыва­ются самые общие ограничения, налагаемые на систему такими факторами, как географическое местоположение здания и его назначение, размеры здания, допустимая стоимость, располагаемые или необходимые материалы и т. п. Как правило, ведется эскизная проработка не­скольких вариантов гелиосистемы, которая заканчивает­ся выбором предпочтительного варианта. После этого ве­дется разработка детального проекта и принимаются решения относительно расположения, размеров комнат, ориентации здания, выбора материалов и уточнения всех размеров. В результате выполнения этой второй стадии проектирования получается вполне конкретная конструк­тивная разработка здания. Иногда на этой стадии раз­рабатываются конкурирующие варианты, например отли­чающиеся различными архитектурно-планировочными решениями или используемыми строительными материа­лами, с учетом экономических и теплотехнических фак­торов. Это та. стадия проектирования, на которой при-

Ш

нимаются все основные архитектурные и инженерные решения. После этого выполняются рабочие чертежи со всеми необходимыми деталями — с указанием размеров, материалов, т. е. со всем, что требуется для осуществле­ния строительства здания с пассивной гелиосистемой.

Относительная площадь солнцеулавливающих поверх­ностей в различных климатических зонах может состав­лять 10—100 % площади отапливаемых помещений. При этом за счет использования солнечной энергии обеспечи­вается определенная доля / (от 10 до 80 %) тепловой на­грузки отопления и соответственно уменьшается расход теплоты от топливного источника. В случае же исполь­зования подвижной тепловой изоляции, закрывающей в ночное время лучепрозрачные поверхности, теплопотери здания значительно снижаются и эффективность гелио­системы возрастает в 1,5—2,5 раза. При расчете пассив­ных гелиосистем необходимо определить площадь свето­прозрачных поверхностей наружных ограждений здания, используемых для улавливания солнечной энергии, и мас­су теплоаккумулирующих элементов пола, стен, потолка. Как правило, эти элементы выполняются из бетона, но для аккумулирования теплоты могут также использо­ваться емкости, заполненные водой. При этом удельные масса и объем теплоаккумулирующих элементов, отне­сенные к 1 м2 площади остекленных поверхностей, ориен­тированных на юг, определяются в зависимости от доли / (%) солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки отопления как mak = C/; иак = С0б/. Значения коэффици­ентов определяются видом теплоаккумулирующего эле­мента. Так, для емкости с водой С—3 кг/(% • м2) и С0в— =0,003 м3/(%-м2), для бетонной или каменной стены (пола) — соответственно 15 и 0,0075.

Следует отметить, что величина / практически соответ­ствует процентному снижению расхода теплоты от обыч­ного топливного источника. Так, например, если требует­ся снизить теплопотребление дома на 40 %, что соответ­ствует значению /=40%, необходимые удельные масса и объем водяного аккумулятора теплоты составят соот­ветственно 120 кг/м2 и 0,12 м3/м2, а бетонной стены (по­ла) 600 кг/м2 и 0,3 м3/м2. При f = 10-4-80 % удельный объем 1>ак, отнесенный кім2 площади солнцеулавливаю­щих поверхностей южного фасада, равен для емкостей с водой 0,03—0,24 и для бетонной стены (пола) 0,08— 0,6 м3/м2. ~ ‘

Рассмотрим пример оценки массы теплоаккумулирую­щих элементов дома жилой площадью 120 м2 при усло­вии, что требуется снизить теплопотребление за счет сол­нечной энергии на 60 % и что площадь светопрозрачных поверхностей, улавливающих солнечную энергию, равна 40 м2. Аккумулирование теплоты осуществляется в бетон­ном полу. В соответствии с приведенными выше данными необходимый удельный объем теплоаккумулирующего бе­тонного пола составит vaK=C06f=0,0075-60 = 0,45 м3/м2, а всего требуется Как=40-0,45=18 м3 бетона. Это озна­чает, что пол должен иметь толщину 0,45 м. Необходимым условием эффективного функционирования пассивной системы отопления является рациональное размещение теплоаккумулирующего элемента, обеспечивающее его облучение Солнцем в течение как минимум 4 ч в день. Для этого он должен быть размещен непосредственно вблизи остекления.

Как должно быть ориентировано здание с пассивным использованием солнечного излучения для отопления? Наилучшая ориентация здания — южная, однако допус­кается отклонение фасада здания до 30° к востоку или западу.

Системы прямого улавливания солнечной энергии.

-В пассивных гелиосистемах этого типа (см. рис. 32, а) улавливается солнечное излучение, поступающее внутрь здания через остекленные поверхности окон в южной сте­не. Для наилучшего использования солнечной энергии окна южной ориентации должны иметь определенную площадь. Оптимальная величина удельной площади всех южных окон аоК, отнесенная к 1 м2 жилой площади дома, зависит от средней температуры наружного воздуха в зимний период (точнее, в декабре и январе) Тв и от степени теплоизолированности дома:

В некоторых зданиях предусмотрено остекление части крыши или южной стены чердака, сообщающейся с отап­ливаемыми помещениями.

ПР и м е р I. Рассчитать площадь остекленной поверхности южного фасада дома площадью 100 м2, необходимую для обеспече­ния 50 % тепловой нагрузки отопления. Дом оснащен пассивной си­стемой прямого улавливания солнечной энергии, находится в Крыму, и его южный фасад не затеняется. Для данного местоположения до­ма при относительной площади остекления, приходящейся на 1 м* жилой площади дома, равной 0,18 м2/м2, обеспечивается снижение теплопотребления на 18 % (без применения теплоизоляции окон в ночное время) и на 44 % (с применением тепловой изоляции), а при «ок=0,36 м2/м2 — соответственно на 24 и 68%. Построив гра­фик линейной зависимости между вок н снижением теплопотребления (%), можно найти такое значение вок, которое соответствует задан­ному значению (50 %) снижения теплопотребления. Получаем Оон— =0,225 м2/м2 в случае использования тепловой изоляции в ночное время. Требуемая площадь остекления равна Док = вокДпол = =0,225-100= 22,5 м2.

Количество солнечной энергии, пропущенной через окно внутрь помещения за определенный промежуток времени (час, день), опре­деляется количеством солнечной энергии, поступающей на верти­кальную поверхность в данной местности с учетом ориентации и возможного затенения окна, а также его пропускательной способ­ностью. В табл. П2 приведены значения суточных количеств солнеч­ной энергии Е, поступающей на горизонтальную поверхность, и £щ>, пропущенной через окно в вертикальной стене различной ориентации в ясный день для 21 числа каждого месяца на широте 40—56° с. ш. При этом величина £п р отнесена кім2 площади окна.

С учетом теплопередачи через окно общее количество солнечной энергии (МДж/дн), пропущенной через одно за день, определяется по формуле

Qoct ■“ (£пр ^зат К (*в *н)1 Л0к. где £Др — количество пропущенной солнечной энергии, МДж/м2 в день; Кэат — коэффициент затенения окон (табл. 6); К — коэффи-

циент теплопередачи через окна, Вт/(м2-К); h и — температуры внутреннего и наружного воздуха, °С; Д0к — площадь солнцеулавли­вающего остекления южной стены, м2,

Расчет количества солнечной энергии, проходящей через окна, за средний облачный день выполняется по формуле

<Й = <к“Н= ^Про„/СзаНоК,

где е — коэффициент, учитывающий ослабление плотности потока поступающей солнечной энергии в облачный день по сравнению с яс­ным днем (для ясного дня е=1).

Пример 2. Рассчитать количество солнечной энергии, посту­пающей через южное окно с двойным остеклением площадью 8 м1 в средний облачный день 21 января в доме, расположенном на широ­те 48° с. ш.

Через одинарное остекление на южной стороне дома за ясный день 21 января на широте 48° с. ш. проходит 15,91 МДж/м2 в день. Коэффициент затенения берем из табл. 6, для двойного остекления без штор Ка»т=0,87. Для среднего облачного дня принимаем e,=0,6. Количество солнечной энергии, пропущенной окном с двойным остек­лением за средний облачный день, равно Q^=»0,6-15,91-0,87-8= =66,44 МДж.

Расчет площади теплоаккумулирующей стены Тромба и примыкающей к зданию гелиотеплицы. Требуемая пло­щадь поверхности (м2) остекленной южной теплоаккуму­лирующей стены Тромба определяется по формуле Лет— =астАПол — Аналогичная формула используется для оп­ределения площади остекленной поверхности пристроен­ной к южному фасаду здания гелиотеплицы (оранжереи, зимнего сада): Лтеп ЯтепЛпоЛ-

Значения удельной площади стены Тромба аст и при­строенной к южной стене дома гелиотеплицы атвп, отне­сенные к 1 м2 площади отапливаемых помещений, зависят от средней для зимнего периода (точнее, для декабря и января) температуры наружного воздуха в местности, где расположен дом, и материала, в котором происходит ‘ аккумулирование теплоты. В обеих рассматриваемых пассивных гелиосистемах отопления аккумулирование теплоты может происходить в бетонной или каменной стене, расположенной на небольшом расстоянии от остек­ления (стена Тромба) или отделяющей теплицу от дома, или в емкостях с водой, поставленных друг на друга та­ким образом, что они образуют сплошную стену. В т. абл. 7 приведены значения удельной площади поверхности ос­текления стены Тромба аот и примыкающей к южной сте­не дома гелиотеплицы (оранжереи, зимнего сада) в зави­симости от температуры наружного воздуха зимой Тв и способа аккумулирования теплоты. Толщина теплоак­кумулирующей стены зависит от вида строительного ма­териала, из которого она сделана. Так, каменная стена

должна иметь толщину от 200 до 300 мм, кирпичная — от 250 до 350 мм, а бетонная — от 300 до 450 мм. Стена, составленная из емкостей с водой, должна иметь толщину не менее 150 мм. Суточные колебания температуры воз­духа внутри помещений с увеличением толщины стены уменьшаются. Так, при использовании бетонной стены температура воздуха колеблется в пределах ±7 °С при толщине стены 200 мм, ±4 °С при толщине 300 мм, ±2,5 °С при толщине 500 ми и ±1 °С при толщине 600 мм. Скорость распространения теплоты в стене определяется отношением коэффициента теплопроводности материала к его объемной теплоемкости: она тем выше, чем больше это отношение. При этом стена может иметь большую толщину.

Пример 3. Определить площадь стены Тромба, необходимую для покрытия за счет солнечной энергии 50 % тепловой нагрузки отопления помещения площадью 40 м2 при средней температуре на­ружного воздуха а зимние месяцы 0—2 °С.

По табл. 7 находим среднее значение аСт=0,475 м2/м2 при Ть— =2 °С. Для покрытия всей тепловой нагрузки требуется бетонная стена Тромба площадью Лот^ДотЛпол=0,475-40= 19 мг_ для обеспе­чения 50 % тепловой нагрузки отопления необходимо иметь бетонную стену площадью 9,5 м2. При этом температура воздуха в помещениях будет поддерживаться на уровне 18 °С при условии, что остальные 50 % тепловой нагрузки будут покрываться топливным источником.

Пример 4. Определить требуемую площадь поверхности остекления пристроенной к южному фасаду здания гелиотеплицы при следующих условиях: средняя температура наружного воздуха в зимние месяцы равна 0Х, площадь отапливаемых помещений 120 м2, доля покрытия тепловой нагрузки за счет солнечной энергии равна 0,6.

Принимаем по табл. 7 для бетонной стены при 0°С Отвп=0,83. С учетом заданной доли солнечной энергии в обеспечении тепловой нагрузки получаем требуемую площадь южной поверхности остекле­ния гелиотеплицы: Лтеп=0,83-0,6-120=59,76 м*.

Масса теплоаккумулирующих элементов н их разме­щение в здании. Поступающая через светопрозрачные по­верхности остекления солнечная радиация поглощается частью внутренних поверхностей отапливаемых помеще­ний здания или. отражается ими на другие внутренние поверхности. Энергия, поглощенная поверхностью, пере­дается внутрь материала путем теплопроводности. Увели­чение температуры теплоаккумулирующих элементов, вызываемое поглощением солнечной энергии, может быть приближенно определено ПО формуле &t = Qnord(VC’), где Qnoi-Л — количество поглощенной энергии, Дж; V — объем теплоаккумулирующего элемента, м3; С’ — удель­ная объемная теплоемкость материала, Дж/(м3-°С).

Поглощательная способность поверхности зависит от материала, из которого она сделана, и ее цвета. При па­дении солнечных лучей по нормали к поверхности погло­щательная способность а различных материалов имеет следующие значения: для бетона — 0,6, красного кирпи­ча— 0,68, гранита — 0,55, песчаника — 0,54, черепицы — 0,69, древесины (сосны) — 0,6. Поглощательная способ­ность а зависит также от цвета поверхности: для бело­го — 0,18, желтого — 0,33, темно-красного — 0,57,

коричневого — 0,79, серого — 0,75, черного (матового) — 0,96, светло-зеленого — 0,5, темно-зеленого — 0,88.

Эффективность пассивных гелиосистем отопления зда­ний существенно зависит от массы теплоаккумулирую­щих элементов и их размещения в здании. Увеличение суммарной теплоемкости солнцеулавливающих теплоак­кумулирующих элементов, отнесенной к 1 м2 площади остекленных поверхностей здания, повышает эффектив­ность пассивной гелиосистемы прямого улавливания сол­нечной энергии до определенного предела. При С—175-=- -=-225 Вт. ч/(м?.°С) график зависимости эффективности системы от общей теплоемкости стремится к горизон­тальной линии, т. е. достигается максимальная эффектив­ность. Поэтому минимальная масса теплоаккумулирую­щих элементов соответствует значению суммарной тепло­емкости С, отнесенной к 1 м2 площади остекленных по­верхностей, пропускающих солнечную энергию внутрь здания, равному 175 Вт-ч/(м2-°С). При больших значе­ниях массы теплоаккумулирующих элементов вся или почти вся уловленная солнечная энергия полезно исполь­зуется, поглощаясь теплоаккумулирующими элементами, и не происходит перегрева здания, а суточные изменения

температуры воздуха внутри помещений будут небольши­ми. Верхний предел массы всех теплоаккумулирующих элементов определяется технико-экономическим расче­том.

Пример 5. Рассчитать требуемый суммарный объем теплоак — кумулирующнх элементов из бетона [Сб= 522 Вт-ч/(м3-°С)] и в ви­де емкостей с водой [Св=1163 Вт-ч/(м3-°С)] при их суммарной теп­лоемкости, отнесеннной кім1 солнцеулавливающей остекленной поверхности, равной С=200 Вт-ч/(м2-°С) для дома с площадью остекления южного фасада Лост=40м2. Объем теплоаккумулирую­щих элементов из бетона равен V«= САост/С’б= 200■ 40/522=15,33 м3, из емкостей с водой Рв=СЛоот/Св=200-40/1163 = 6,88 м3. Теплоакку­мулирующие элементы следует размещать таким образом, чтобы они могли непосредственно получать солнечное излучение или поглощать излучение, отраженное другими поверхностями интерьера. Наилуч­шим твердым теплоаккумулирующим материалом является бетон, затем следуют кирпич, дуб, сосна, гипс (сухая штукатурка). Тепло­аккумулирующие элементы могут служить ограждениями здания, т. е. его стенами, полом или потолком. При этом наружная поверх­ность этих элементов должна быть теплоизолирована. Если толщина теплоаккумулирующего элемента равна 50 мм, то требуемая пло­щадь поверхности элемента, отнесенная с 1 м2 светопрозрачного ограждении (остекления южного фасада), составит для бетона 7 м2, кирпича 8 м2, дуба 11 м2, сосны 13 м2 и гипса 21 м2. При толщине бетона 100 мм достаточно 5 м2, а при толщине 200 мм—3 м2. Эти данные относятся к элементам, непосредственно поглощающим сол­нечное излучение, т. е. они должны быть размещены так, чтобы сол­нечное излучение попадало на них в течение не менее 4 ч в день. В случае, когда теплоаккумулирующие элементы (потолок, стены) расположены так, что на них не попадает прямое солнечное излуче­ние, и они нагреваются за счет отраженного солнечного излучения и излучения внутренних поверхностей или конвективного теплооб­мена с воздухом, толщина материала или площадь поверхности теп­лоаккумулирующего элемента, отнесенная к 1 м2 площади остекле­ния южного фасада, должна быть приблизительно в 2 раза больше, чем в первом случае.

Третий вариант размещения теплоаккумулирующих элементов соответствует случаю, когда они не являются частями ограждений и строительных конструкций, а установлены внутри помещений, отап­ливаемых за счет прямого поступления солнечного излучения. Это могут быть емкости с водой или элементы, выполненные из строи­тельных материалов. При этом относительная площадь освещенной солнечным излучением поверхности элемента, приходящаяся на 1 м2 площади остекления, составляет 2 м2 для элемента из кирпича (тол­щиной 200 мм) или бетона (толщиной 150 мм), а емкости с водой должны иметь объем не менее 0,3 м3 на 1 м2 остекления.

Суммарная теплоемкость (Вт-ч/°С) теплоаккумулирующих эле­ментов помещения составляет

Сак ~ ^ост Сі,

где Досі — площадь остекления (солицеулавливающей прозрачной

изоляции), м2; Сі — теплоемкость теплоаккумулирующего элемента, отнесенная кім2 площади остекления, Вт-ч/(м2-°С).

Требуемый объем теплоаккумулирующих элементов Уак=Сак/С’, где & — удельная объемная теплоемкость теплоаккумулирующего материала, Вт-ч/(м3-°С).

Пример 6. Определить требуемый объем теплоаккумулирую* щих бетонных элементов для помещения площадью 100 м2, имеюще­го южные окна суммарной площадью 25 м2. при минимально допусти­мой удельной теплоемкости 200 Вт-ч/(м2-°С).

Общая теплоемкость теплоаккумулирующих элементов Сан“ =ЛостСі=25-200=5-Ю3 Вт-ч/Х.

Требуемый минимальный объем теплоаккумулирующих элемен­тов нз бетона Уак=Сак/Сб =5-103/522=9,6 м3.

Распределение этого объема теплоаккумулирующего материала может быть выполнено, если на основе плана и разреза помещения по азимуту и углу высоты Солнца определить площади пола и сте­ны, освещаемые Солнцем в течение не менее 4 ч в день в зимний период. При заданной толщине теплоаккумулирующих элементов и выбранном материале можно определить площади поверхностей освещаемых и не освещаемых геплоаккумулирующих элементов.

Пример 7. По данным предыдущего примера выполнить рас­пределение массы теплоаккумулирующих бетонных элементов стен, пола и отдельно стоящих колонн. Принять, что масса распределяется между указанными элементами в соотношении 3:2:1. Суммарный объем теплоаккумулирующих бетонных элементов составляет 9,6 м*, а объем тейлоаккумулирующих стен, пола и колони равен соответст-‘ венно 4,8; 3,2 и 1,6 м3.

Как правило, в доме с пассивным солнечным отоплением одно­временно используется несколько танов систем, например пристроен­ная к южному фасаду здания гелиотеплица (оранжерея, зимний сад), южная остекленная теплоаккумулврующая стена и солнцеулавлива­ющие окна южной ориентации.

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.

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.

Рис. 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-

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.

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.

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

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

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

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

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):

Экономическую 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

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-

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

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

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,

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.

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

Рис. 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