3.2.1. Солнечные коллекторы с естественной циркуляцией теплоносителя

При проектировании гелиосистем удобно пользоваться удельной производительностью гелиоколлектора, то есть количеством теплоносителя, которое нагревается одним квадратным метром лицевой поверхности гелиоколлек­тора до заданной температуры на протяжении суток при определенных условиях поступления солнечной энергии. Поэтому в последующем изложении расход теплоносителя, полученную тепловую энергию и другие характеристики будем относить кім2 гелиоколлектора.

Суточное поступление теплоты от 1 м2 гелиоколлектора

Qcyr ~^тнстн(1 Є IKP )Vc

Время после восхода Солнца т2, на протяжении которо­го теплоноситель нагревается до заданной температуры t3ad, зависит от значения этой температуры, интенсивности сол­нечной радиации и характеристик гелиоколлектора. При синусоидальном законе изменения интенсивности солнеч­ной радиации на протяжении светового дня

(1.18)

где взад =9’зад/^’тах " относительная избыточная заданная температура.

В результате симметричности синусоиды считаем, что

Если учесть возможную облачность с помощью коэффи­циента солнечного сияния |/с, то длительность работы сол­нечного коллектора

АТраб=Х1/сАт — (!-21)

В формулах (1.17)-(1.21) приняты обозначения: i1 — вре­мя, определяемое от появления Солнца, ч; тс — длитель­ность светового дня; t3ad и tH — соответственно заданная тем­пература и температура наружного воздуха; &зад — заданная избыточная температура; $тах — максимальное значение избыточной равновесной температуры неподвижного те­плоносителя; GTH~ расход теплоносителя; NrB — равновес­ная теплофизическая характеристика коллектора; |/с — ко­эффициент солнечного сияния.

Формулу для обозначения Q„,„ удобно представить так,

сути

чтобы в ее состав входили только относительные значения избыточных температур

После интегрирования в заданных пределах получим

QcyT = ^тнудСтн (1 — e_JVrKp )|/c9max —5-[cos(arcsin Эззд) — 9ВХ arccos Эзад ]. Учитывая, что cos(arcsin 9зад) = %/l-Ззад, имеем

Масса нагретой воды, которая поступила в бак от каждо­го квадратного метра гелиоколлектора во время его работы,

2т —

туд =^ТНудАТраб = —^-^тнУс аГССОБЭзад• (1.24)

С другой стороны, количество удельной теплоты, кото­рая поступила с горячей водой в бак теплового аккумуля­тора во время работы гелиоколлектора, можно выразить через температуру воды в баке без учета тепловых расходов

Решая совместно уравнения (1.23) и (1.25) с учетом за­висимости (1.24), получим

Озад — Овх = (1 — Є"*"* )(L3 — Эвх )

АТ _ ^ПС-^ГК с _

•‘>ГКр — п S — г

СгТнСТН СгТНеТН

Подставив значение NrKp в уравнение (1.27) и решив его относительно расхода теплоносителя, найдем оптимальное значение

Если удельный расход теплоносителя больше, чем (стнуд)0 , то средняя температура воды, которая поступила

в бак во время работы гелиоустановки, будет ниже задан­ной. Если же удельный расход теплоносителя меньше, чем (С? ТНуД ) , то средняя температура воды, которая накопилась в баке, будет выше заданной. Потребитель же получит воду с заданной температурой, так как смеситель добавит такое количество холодной воды, чтобы температура выданной воды имела требуемое значение. Однако суммарное коли­чество горячей воды с заданной температурой будет мень­ше, поскольку гелиоколлектор работал при повышенной температуре и его коэффициент использования солнечной энергии снизился.

Подставив значения (СТнУд )0 в формулу (1.24), получим

(1.29)

L9 — Эзад

Если продолжительность светового дня измерять в ча­сах, а теплоемкость воды принять стн = 4190 ДжДкг’К), то удельную суточную производительность гелиоустановки, кг/(м2,сут), можно вычислить по формуле

/Пуд =0,547т|гу

L$ — Озад

где T|j, y— коэффициент, который учитывает расход теплоты из магистрали и бака-накопителя, а также влияние тепло­вой инерционности гелиоколлектора.

Если трубы и стенка бака теплоизолированы, то при расчетах продуктивности установки можно принимать

г|гу = 0,88…0,94.

В уравнениях (1.22)—(1.30), кроме указанных выше, приняты обозначения 9сут — суточный удельный тепловой поток, Вт/м2; Звх — относительная избыточная температура на входе.

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В последние годы в системах солнечного теплоснабже­ния применяют гелиопрофили ТЕПС (тепловая преобра­зующая система), разработанные предприятием “Инсоляр ЮСВ” (г. Днепропетровск, Украина).

Внешний вид гелиопрофиля ТЕПС изображен на рисунке 1.13 [30].

покрытие

ТЕПС

Жидкий теплоноситель

ьлой теплоизоляции Внутренняя отделка

Рис. 1.13.

Общий вид гелиопрофиля ТЕПС

Гелиопрофиль имеет цилиндрическую полость для про­текания жидкого или воздушного теплоносителя, призма­тическую полость для протекания воздушного теплоноси­теля или размещения теплоаккумулирующего вещества, наружное и внутреннее технологические ребра.

Геометрические характеристики 1 м гелиопрофиля: общая площадь наружной поверхности 0,436 м2;

площадь поглощающей поверхности 0,177м2;

площадь поверхности трапецеидальной полости 0,290 м2; площадь поверхности цилиндрической полости 0,058 м2. Ширина гелиопрофиля 180 мм.

Поверхность, смонтированная из гелиопрофилей, мо­жет иметь как прямоугольную, так и криволинейную фор­му сторон. Заложенный принцип формообразования по­верхности позволяет образовывать и кривоцилиндрические поверхности.

Рис. 1.14.

Схема горячего водоснабжения с ис­пользованием энергоактивной кровли

1 — гелиопрофиль ТЕПС, 2 — городской во­допровод, 3 — теплоаккумулятор горячего водоснабжения, 4 — первичный водопо­догреватель, 5 — циркуляционный насос контура теплоносителя, 6 — циркуляцион­ный насос контура первичного водоподо­грева, 7 — тепловой пункт, 8 — солнечное излучение

Наклон поверхности к горизонту может быть различ­ным, но рекомендуется, чтобы он был не менее 3-5° (для стекания конденсата и слива жидкого теплоносителя).

Схема системы теплоснабжения с использованием гели­околлектора типа ТЕНС показана на рис. 1.14. На рис.1.15 и 1.16 представлены варианты монтажа гелиопрофиля на каркас здания.

Разность температур на выходе ивых и входе ивх коллек­тора определяется по формуле

Л* = иВых — Увх =(Ур — иВх)(1-е“^), (1.15)

где ир — избыточная равновесная температура; iVrK — па­раметр, характеризующий теплофизические показатели солнечного коллектора; Ъ, — коэффициент, учитывающий конструктивные особенности тепловоспринимающего элемента.

Л7 _ ^гкмтс. С _ атн ^гк г 1 S >

СгтнСтн атн +лгк (1.16)

где Ктк — коэффициент теплопотерь гелиоколлектора, Вт/(м2*К); .FrK — тепловоспринимающая поверхность гелио­коллектора, м2; GTH — расход теплоносителя, кг/с; стн — те­плоемкость теплоносителя, ДжДкг’К); атн — коэффициент теплоотдачи теплоносителя, Вт/(м2,К).

Многочисленные исследования дают основание при­нять в первом приближении следующие значения атн » 600 Вт/(м2-К); Кгк « 4…15 Вт/(м2-К); £,« 0,985.

На эффективность солнечных коллекторов оказывает влияние их расположение по отношению к солнечному излучению. Сравнение расчетных данных для удельных потоков </пад, падающих на поглощающую поверхность следящих, неподвижных и дискретно-ориентированных коллекторов показало, что последние позволяют акку­мулировать до 92 % максимально возможной солнечной радиации, в то время как неподвижные только 70 %, т. е. в 1,3 раза меньше (рис. 1.10) [28]. Это расхожде­ние еще более увеличивается в летний период работы гелиоустановки.

Немаловажное значение имеет и размещение коллекто­ров относительно друг друга во избежание возможного их взаимного затенения.

На рис. 1.11 [29] представлены графики изменения от­ношения суммы падающей на коллектор радиации к ра­диации горизонтальной поверхности в зависимости от угла

Рис.1.11.

Зависимость количества солнечной радиации, поглощаемой кол­лектором, от расстановки коллекторов на плоскости: а — межотопительный период; б — за год

наклона солнечного коллектора и расстояния между ряда­ми (угол наклона коллектора равен широте местности 45°). Летом при больших расстояниях между рядами наиболь­шее количество радиации получает коллектор, наклонен­ный под углом 30° к горизонту.

Пока высота подъема краев коллектора при наклоне менее половины расстояния между рядами, затенение в летнее время фактически отсутствует. При дальнейшем уменьшении этого расстояния его влияние начинает про-

являться, притом тем резче, чем больше угол наклона коллектора (рис. 1.12). При круглогодичной работе кол­лекторов количество поглощенной теплоты изменяется с расстоянием между рядами, равным 2,0-2,2 высоты подъ­ема края коллектора при наклоне.

Каждая из систем теплохладоснабжения состоит, как правило, из трех элементов: коллектора, аккумулятора те­пловой энергии и системы распределения теплоты.

Для повышения эффективности гелиоустановок пред­ложена система (рис. 1.7) с многоступенчатыми гелио­коллекторами, изготовленными из разнородных матери­алов [2]. Первая ступень 3 последовательно соединенных коллекторов — это элемент с неселективной поверхно­стью, теплоизоляцией и одинарным остеклением. Вто­рая ступень 2 состоит из таких же элементов с двойным остеклением. Третья ступень 1 состоит из элементов с селективной поверхностью, теплоизоляцией и двойным остеклением.

Предложенная гелиоустановка имеет ряд недостатков: большая стоимость составных элементов гелиоколлектора; значительные затраты на привод нескольких насосов; слож­ная конструкция бака-аккумулятора и ненадежная система регулирования расхода в каждом циркуляционном контуре.

Рис. 1.7.

Схема трехступенчатой гелиоустановки:

1,2 — элементы двухслойных селектив­ного и неселективного плоских кол­лекторов; 3 — элемент неселективного однослойного плоского коллектора; 4 — насос; 5 — циркуляционный тру­бопровод; 6 — бак-аккумулятор тепло­ты; 7 — перфорированные перегородки; 8 — трехступенчатый бак-аккумулятор теплоты

1 — расходный бак холодной воды; 2 — поплавковый регулятор уровня; 3, 4, 5 — первая, вторая и третья ступени гелиоколлектора; в — регулирую­щий вентиль; 7 — регулятор температуры; 8 — емкость постоянного уровня; 9 — бак-аккумулятор

Гелиоустановка гравитационного типа (рис. 1.8), состо­ящая из многоступенчатых коллекторов, выполненных из разнородных материалов, лишена большинства указанных выше недостатков [3]. В ней процесс подогрева происходит за счет однократного протекания теплоносителя через сту­пени гелиоколлектора, работающие при различных темпе­ратурах, но практически с одинаковой эффективностью.

Первая ступень гелиоколлектора изготовлена из наибо­лее простых и дешевых элементов (типа НПК), позволяю­щих подогревать воду до температуры 35-40 °С.

Вторая ступень коллектора представляет собой элемент НПК-1, имеющий одинарное остекление и теплоизоляцию. В этой ступени вода подогревается до 50-55 °С. Третья сту­пень состоит из элемента НПК-2 и, следовательно, имеет двойное остекление и теплоизоляцию. Это позволяет подо­греть воду до температуры 60-65 °С.

Для регулирования температуры горячей воды, посту­пающей в бак-аккумулятор 9, используется регулировоч­ный вентиль 6 и регулятор температуры 7.

Технико-экономический эффект этой гелиоустановки достигается последовательным соединением ступеней ге­лиоколлектора, обеспечивающим безнасосное перетекание воды из расходного бака холодной воды в бак-аккумулятор.

Автор работы [3] разработал варианты компоновки ге­лиоустановки гравитационного типа (с многоступенчатым гелиоколлекторами) с котельными, а также с ветроэнерге­тическими установками. Такие варианты гелиоустановок гравитационного типа следует рекомендовать для автоном­ного водо — и энергоснабжения сельскохозяйственных объ­ектов различного назначения.

Для автоматического регулирования температуры те­плоносителя и теплового режима гелиоустановки разрабо­тана система автоматизации «Логика-И» [3]. Структурная схема установки приведена на рис. 1.9. В системе регули­рования предусмотрено последовательное корректирую-

Рис. 1.9.

Функциональная схема автоматики гравитационной гелиоустановки:

1 — расходный бак; 2 — гелиоколлектор; 3 — регулирующий вентиль; 4 — бак — аккумулятор теплоты; 5 — фоторезистор; 6 — терморезистор; 7 — регулирующий орган; 8 — блок автоматики; 9 — звено задержки щее устройство. Для этого между блоком автоматики 8 и регулирующим органом 7 включено звено задержки 9.

Основная масса выпускаемых в мире плоских солнеч­ных коллекторов производится из цветных металлов; в качестве прозрачного покрытия используется стекло — тя­желый и хрупкий материал. Использование ударопрочных стекол значительно удорожает производство солнечных коллекторов. Поэтому системы с такими коллекторами до­статочно дороги. Основной идеей исследования является изучение возможности применения в конструкции солнеч­ных коллекторов полимерных материалов [25, 26]. Этот вопрос давно изучается рядом мировых исследовательских центров и фирм-производителей [26, 27].

Первым шагом по созданию нового коллектора явилась разработка металлополимерного солнечного коллектора, в котором в качестве абсорбера был использован традицион­ный регистр медных труб, а вместо стекла в качестве про­зрачного покрытия — плита сотового поликарбоната. Сле­дующим шагом было создание полностью полимерного солнечного коллектора. В нем использована плита сотово­го поликарбоната: в качестве прозрачного покрытия — тол­щиной 4 мм, в качестве абсорбера — толщиной 8 мм.

Был проведен анализ полимерных материалов, которые могут быть использованы в конструкции солнечных кол­лекторов. Самым перспективным материалом является по­ликарбонат, как и свидетельствуют авторы работ [26, 27].

Плита сотового поликарбоната представляет собой два параллельных листа с поперечными перегородками в цель­ной единой структуре. Температурный диапазон эксплуа­тации для поликарбоната от -40 °С до +120 °С, что позволяет использовать его в наружных конструкциях. Максималь­ное термическое расширение (при АТ = 80 °С) составляет 0,25 мм/м. Светопропускающая способность полимерных материалов имеет большое значение при их выборе для ис­пользования в качестве прозрачного покрытия солнечных коллекторов. Панели из поликарбоната имеют светопро­пускание 70-82 % в зависимости от их толщины. Панели толщиной 4 мм с наибольшим светопропусканием были выбраны в качестве прозрачного покрытия.

При длительном воздействии солнечного излучения важное значение имеет устойчивость материала к уль­трафиолетовому излучению. Современные панели из по­ликарбоната производятся со специальным покрытием, предотвращающим попадание ультрафиолетового излуче­ния внутрь панели. Ультрафиолетовые лучи ( < 390 нм), являющиеся наиболее разрушительными, практически не проходят через панель. Пропускание лучей в крайней ча­сти инфракрасной зоны спектра ( > 5000 нм) минимально, вследствие чего тепло, излучаемое абсорбером, остается внутри солнечного коллектора («эффект теплицы»).

Поликарбонат устойчив ко многим химическим веще­ствам, включая минеральные кислоты высокой концен­трации, многим органическим кислотам, нейтральным и кислым растворам солей, многим жирам, парафинам, на­сыщенным алифатам и циклоалифатам, кроме метилового спирта. Поликарбонат разрушается водным или спирто­вым раствором щелочей, аммиаком или его растворами и аминами. Степень чувствительности к воздействию хими­калий зависит от таких факторов, как концентрация, тем­пература, продолжительность контакта с поверхностью панели, давление, а также напряжений в панели.

Сотовые панели из поликарбоната отличаются высо­кими механическими характеристиками, такими как твердость и стойкость к ударным воздействиям при дли­тельном применении на открытом воздухе. Панели из по­ликарбоната прошли несколько международных тестов: в США — ASTM Е822 — 87, в Швейцарии — успешный тест ЕМРА согласно SIA Norm 280 (1977). Испытания по мето­ду Гарднера — методу определения стойкости к ударам па­дающих предметов (Gardner Falling Dart Impact Test) — по­казали, что сотовые поликарбонатные панели обладают высокой степенью поглощения энергии по сравнению с другими материалами. Это свойство гарантирует высокую стойкость к воздействию града и падающих предметов. На­ружная поверхность панели покрыта слоем, защищающим от ультрафиолетового излучения. Этот слой поглощает ультрафиолетовую часть солнечного спектра и обеспечи­вает постоянство механических и оптических свойств в течение многих лет. Испытания на открытом воздухе, про­водившиеся в течение семи лет в США в штатах Аризона и Флорида, а также в Германии и Израиле, показали вы­сокую ударную стойкость и сохранность исходных оптиче­ских свойств.

По сравнению с другими остеклениями той же толщи­ны тепловые потери через сотовые панели из поликарбона­та значительно ниже, тепловая изоляция намного лучше, что определяет экономию топлива и энергии.

На рис. 1.6 представлена схема вариантов традицион­ного плоского солнечного коллектора [27].

К числу принципиальных преимуществ таких коллек­торов по сравнению с коллекторами других типов относит­ся их способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и, как следствие этого, возможность стационарной установки солнечного коллек­тора без необходимости в сложных системах слежения за солнцем. Абсорбер 1 плоского солнечного коллектора, как правило, изготавливается из материала с высокой тепло­проводностью, из металлов (стали, алюминия, меди). Для

а — традиционный солнечный коллектор с металлическим абсорбером (те­плоприемником); б — полимерный солнечный коллектор; в — металлопо­лимерный солнечный коллектор; 1 — плита абсорбера; 2 — первое прозрач­ное покрытие поглощающей панели (от абсорбера); 3 — второе прозрачное покрытие поглощающей панели; 8п, 8а — толщиы прозрачного покрытия и плиты абсорбера, 8Ь2 и 62.3 — толщины воздушных зазоров, 62, 63 — толщина листов прозрачного покрытия поглощающей панели; 8и — толщина теплои­золяции; «+»и«-»- верхняя и нижняя стороны элемента панели низких рабочих температур его можно также изготовить из пластмассы или резины. Прозрачная изоляция 2 пред­ставляет собой один или два слоя стекла или полимерной пленки. В случае низкой температуры нагрева теплоноси-
теля (до ЗО °С) коллектор может вовсе не иметь прозрач­ной изоляции. Корпус солнечного коллектора может быть изготовлен из оцинкованного железа, алюминия, дерева, пластика. В качестве тепловой изоляции могут применять­ся различные материалы: минеральная вата, пенополиу­ретан и т. п. Низкотемпературные проточные коллекторы имеют поверхностный поглотитель и конструктивно мо­гут выполняться как с открытым потоком теплоносителя, так и с панелью или трубами, внутри которых движется теплоноситель.

Величина удельного теплового потока q’, падающего на 1 м2 наклонной поверхности солнечного коллектора за 1 ч, определяется по формуле [27]:

где Is и ID — интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации.

Особую группу составляют гелиоустановки гравитаци­онного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами [3].

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Солнечная энергия используется непосредственно для теплового, фото — и термоэлектрического превращения ее, то есть для получения тепловой и электрической энергии.

Расчеты показывают, что для удовлетворения совре­менного энергопотребления достаточно превратить сол­нечную энергию, падающую на 0,003 % поверхности Земли, в электрическую и тепловую. Это позволяет сде­лать вывод, что использование только солнечной энергии может свободно покрыть все энергетические потребности человечества.

Значительная часть южных регионов России имеет наи­более благоприятные климатические условия для исполь­зования солнечной энергии. Сюда относятся, в частности, Нижнее Поволжье и Северный Кавказ. Продолжитель­ность солнечного излучения в этих регионах составляет от 2000 до 3000 ч в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность — от 1280 до 1870 кВт ч/м2. В летние месяцы количество энергии, приходящейся на 1 м2 горизонтальной поверхности, составляет в этих регио­нах в среднем от 6,4 до 7,5 кВт ч в день.

Технически реализуемые ресурсы солнечной энергии, т. е. их количество, которое может быть использовано без ущерба окружающей среде, составляет около 1,5 % потен­циальных ресурсов. Таким образом, технически реализуе­мые ресурсы солнечной энергии могут быть определены по формуле

Др =0,015£CS,

где Ес — суммарное количество солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность в год, МДж/м2; S — площадь региона, м2.

Весьма эффективно использование солнечной энергии в теплицах, сушильных камерах, для опреснения воды, обе­спечения работы тепловых насосов, систем кондициониро­вания и других целей. Но наиболее широкое применение, как показывает отечественный и зарубежный опыт, сол­нечная энергия может найти в системах энергоснабжения.

В соответствии с Концепцией технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г. в области солнечной энергетики ставятся задачи:

— совершенствование конструкций, снижение удель­ной стоимости и стоимости эксплуатации систем солнечного горячего водоснабжения и отопления на базе жидкостных солнечных коллекторов;

— разработка и освоение производства воздушных сол­нечных коллекторов и систем теплоснабжения на их основе;

— разработка и освоение производства систем горячего водоснабжения и отопления со стационарными сол­нечными концентраторами.

В России имеется опыт применения различных типов установок солнечного горячего водоснабжения в коттед­жах, многоэтажных жилых и административных зданиях и фермерских хозяйствах, однако объемы производства и их общая площадь на порядок меньше, чем в большин­стве стран Европы, США и Японии. В перспективе через 10-20 лет при дальнейшем снижении удельной стоимости фотоэлектрических преобразователей они смогут широко использоваться во многих автономных системах энергос­набжения. Возможно их применение для резервного элек­троснабжения систем сигнализации и освещения, электри­фикации ферм, домов и коттеджей, освещения автодорог, обеспечения электроэнергией устройств подачи воды и ряда других нужд. Они смогут также использоваться в малых энергоэкономических комплексах наряду с гелиосистема­ми, ветроэнергетическими и биогазовыми установками.

Таким образом, достаточно высокая солнечная актив­ность на территории южных регионов России, имеющийся опыт использования солнечной энергии и наличие необхо­димой техники на энергетическом рынке создают реаль­ные предпосылки для использования этого вида энергии в системах электро — и теплоснабжения в малых энергоэконо­мических комплексах различных, главным образом, авто­номных объектов.

Для практического использования солнечной энергии в системах теплоснабжения и в малых энергоэкономических комплексах с ВИЭ могут быть применены пассивные систе­мы солнечного отопления и активные системы (гелиоуста­новки) солнечного горячего водоснабжения и отопления различных типов.

Экономические показатели гелиоустановок активного типа, нашедших наиболее широкое применение в системах горячего водоснабжения и отопления, определяются не только климатическими условиями, но и конструктивны­ми особенностями гелиоколлекторов и элементов, из кото­рых они выполнены.

Все известные типы гелиоустановок циркуляционно­го и гравитационного типов обладают весьма существен­ными недостатками, которые препятствуют их широ­кому применению в системах теплоснабжения. Все эти недостатки могут быть успешно устранены в гелиоуста­новках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами.

Гелиоустановки, предназначенные для получения низкопотенциальной теплоты, используемой в системах тепло — и хладоснабжения зданий и сооружений, а также в технологических процессах (сушки сельскохозяйственной продукции, термообработки материалов и т. п.) классифи­цируются по следующим признакам:

— сооружения — пассивные и активные;

— назначение — системы отопления, горячего водо­снабжения, кондиционирования; комбинированные (отопление и горячее водоснабжение);

— степень охвата потребителей — индивидуальные, групповые, централизованные;

— время работы в течение года — сезонные и круглогодичные;

— степень аккумулирования энергии — без аккуму­ляторов, с кратковременным, с долгосрочным аккумулированием;

— характер движения теплоносителя — без циркуляции, с естественной или принудительной циркуляцией;

— число контуров — одно-, двух-, многоконтурные;

— тепловой режим — с постоянной или переменной тем­пературой теплоносителя;

— наличие дублирующего источника теплоты — с ду­блером, без дублера (автономные);

— конструкция коллекторов — металлические, пласт­массовые, трубчатые, вакуумированные;

— конструктивные особенности — циркуляционные одно­ступенчатые или многоступенчатые гелиоколлекторы, выполненные из однородных элементов термосифон­ного типа или с насосной циркуляцией; гравитаци­онные с одно — или многоступенчатыми коллекторами, выполненными из однородных материалов; циркуля­ционные с многоступенчатыми гелиоколлекторами, изготовленными из однородных материалов.

Схема широко используемого плоского солнечного кол­лектора приведена на рис. 1.4.

Большинство коллекторов состоит из четырех основ­ных элементов:

— поглощающей панели с каналами для теплоносите­ля, на поверхность которой нанесено покрытие, что обеспечивает поглощение 90% падающего солнечно­го излучения;

— прозрачной изоляции, которая, как правило, состо­ит из одного или двух слоев остекления;

— тепловой изоляции, уменьшающей потери теплоты в окружающую среду через днище коллектора и его боковые грани;

Рис. 1.4.

Плоский солнечный коллектор:

1 — корпус; 2 — прозрачная изоляция; З — каналы для теплоносителя; 4 — поглощающая панель; 5 — тепловая изоляция

— корпуса, где расположены поглощающая панель и тепловая изоляция, закрытого сверху прозрачной изоляцией.

Эффективность солнечного коллектора можно увели­чить, используя селективные покрытия, обеспечивающие высокую поглощательную способность по отношению к солнечному излучению и низкую отражательную способ­ность. Это возможно, поскольку поглощение происходит в коротковолновой, а отражение — в длинноволновой об­ластях спектра. Широко используют покрытие типа «черный никель», наносимое на панель гальваническим способом.

Стекло, покрытое двуокисью олова, плохо пропускает солнечные лучи в определенной области спектра (0,3…2,5 мкм), но почти полностью отражает длинноволновые лучи, уменьшая тем самым потери теплоты.

Для повышения поглощающей способности использу­ют гофрированные, сотовые или оребренные поверхности, которые образуют «ловушки» для солнечных лучей. На та­ких поверхностях происходит многоразовое преломление лучей, и увеличивается использование лучевого потока.

Уменьшение тепловых потерь достигают теплоизоля­цией корпуса коллектора.

Существуют коллекторы, конструкция которых позво­ляет увеличить интенсивность падающего солнечного пото­
ка. В таких коллекторах между источником и приемником излучения установлено оптическое устройство — концен­тратор, благодаря которому увеличивается плотность лу­чистого потока, падающего на тепловоспринимающую по­верхность. Числовое значение этого увеличения называют степенью концентрации.

Трубчатые вакуумные коллекторы имеют по сравне­нию с плоскими более высокий КПД (0,7…0,8). В них до­стигается более высокая температура теплоносителя, но их стоимость больше.

Уменьшение тепловых потерь в вакуумном коллекторе достигается использованием селективного поглощающего покрытия на поверхности приемника и глубокого вакуума в замкнутом пространстве, в котором находится приемник. При вакуумировании внутреннего пространства оболочки до давления Р < 10 1 Па перенос теплоты ничтожно мал, что ведет к уменьшению потерь теплоты. Из технологических соображений в этих коллекторах в качестве оболочки при­меняют цилиндрические трубки из стекла. Поэтому их на­зывают солнечными трубчатыми вакуумными коллектора­ми. Схемы вакуумных коллекторов показаны нарис. 1.5.

Внешний диаметр коллекторов составляет 65… 102 мм, длина -2,05…2,4 м. Изготавливают также коллекторы из стеклянных труб диаметром 300 мм и длиной до 8 м.

В последнее время разработаны новые, более эффектив­ные типы солнечных коллекторов.

В результате термоядерных реакций Солнце выделяет огромную энергию. Поток ее составляет 3,7-1026 Вт. Из это­го количества энергии на Землю попадает только 1,2-1017 Вт тепловой энергии. Примерно 7 % общей солнечной радиации приходится на ультрафиолетовый диапазон, 47,3 % — на спектр видимого света, и 45,7 % приходится на инфракрасное излучение.

Поток солнечного излучения на границе верхних сло­ев атмосферы составляет 1353 Вт/м2. Эта величина на­зывается солнечной постоянной и изменяется на ±3,4 % в течение года в зависимости от расстояния от Земли до Солнца (рис. 1.1).

При прохождении через слои атмосферы часть солнеч­ного излучения поглощается и рассеивается. Плотность потока солнечного излучения на широтах, близких к эква­тору, равна 1 кВт/м2 [1]. Средняя плотность потока солнеч­ного излучения в большинстве регионов мира составляет 200-250 Вт/м2. С точки зрения располагаемого энергети­ческого ресурса это очень много.

Помимо полной энергии (т. е. солнечной постоянной) солнечного излучения нужно знать его спектральное рас­пределение. На основе высотных и космических измере­ний построена стандартная кривая поверхностной плот­ности монохроматического потока излучения (рис. 1.2)

[2], соответствующая среднему расстоянию между Землей и Солнцем при солнечной постоянной 1353 Вт/м2 [3, 4].

Данные интенсивности солнечной радиации могут быть представлены в следующем виде [5]:

— по средним суткам, представляющим месяц, т. е. ме­теорологические данные усредняются за каждый час месяца, и так составляются средние сутки;

— по среднемесячным значениям, т. е. вычисляется одно среднемесячное значение параметра, и оно ис­пользуется для всех часов суток месяца;

— по среднесуточным значениям, т. е. для каждых су­ток месяца вычисляется среднее значение, которое используется для всех часов данных суток;

— по «типичному году», т. е. расчет выполняется по ре­альным данным каждого часа всех дней года, имею­щего статистические характеристики, совпадающие со средними и многолетними.

Положение некоторой точки А на земной поверхности относительно солнечных лучей в данный момент времени определяется тремя основными углами: широтой местно­сти ср, часовым углом со и склонением Солнца 8.

Угол падения лучей на горизонтальную поверхность (Р = 0, где р — угол наклона поверхности к горизонту) опре­деляется по формуле:

cos і = cos 8 cos cp cos со + sin 8 sin ф.

Угол падения лучей на вертикальную поверхность (Р = 90°):

cost = cos8 (віпф cosan cos со + sinan sin co) — sin8 совф cosan,

где an — азимут поверхности.

Для наклонной поверхности с южной ориентацией (ап = 0°) имеем:

cosi = віп(ф — Р) sin8 + cos (ф — Р) cos8 соэф.

В работе [5] было показано, что для достижения тре­буемой точности в расчетах систем солнечного теплоснаб­жения допустимо использовать усредненную за опреде­ленный период интенсивность солнечной радиации. На практике, как правило, применяется метод, основанный на среднемесячных значениях интенсивности солнечной радиации. Для расчетов годовых характеристик рекомен­
дуется использовать метеорологические данные «типично­го года». Исследования показывают, что месячные суммы солнечной радиации на горизонтальную поверхность изме­няются из года в год, однако их средние многолетние зна­чения устойчивы [7-9].

Для оценки суммарной солнечной радиации пользуются различными расчетными выражениями. Формула Анг­стрема связывает относительное значение среднемесячного дневного поступления солнечного излучения на горизон­тальную поверхность с действительной и возможной про­должительностью солнечного сияния в регионе [10].

Более удобным для решения практических задач явля­ется уравнение Блэка, которое построено по тому же прин­ципу. Конкретные расчетные уравнения приведены в ра­ботах [10-13]. Обзор методов оценки солнечной радиации изложен в работе [7].

Для северных широт 38-60° хорошее приближение дает формула Кострова — Савинова — Украинцева, уточненная Сивковым и Гойсой [14]. Она связывает плотность потока солнечной радиации S с солнечной постоянной S* и высо­той Солнца над горизонтом h:

где C0 — эмпирическая константа, зависящая от высоты Солнца и прозрачности атмосферы для нормального луча.

Для других широт интенсивность солнечной радиации определяется в зависимости от среднего R„ и текущего R расстояния от Земли до Солнца;

S з* sinh. R sinA + C0

Существуют теоретические и полуэмпирические моде­ли, основанные на корреляции плотности потока солнеч­ной радиации с облачностью и прозрачностью атмосферы
и на особенностях пропускания ею различных участков солнечного спектра [15, 16], а также на использовании для аппроксимации гармонических функций [17] или ма­тематического аппарата цепей Маркова [18, 19]. Расчеты по всем этим моделям требуют большого объема предвари­тельной информации.

Удельная интенсивность суммарной радиации, па­дающей на наклонную плоскость коллектора, находят по выражению

7 = ®гор+ -^гор-^D + 7гор-^г* (1*3)

где Srop — интенсивность радиации, падающей на горизон­тальную поверхность в случае ясного неба:

S =S. sinh;S =S. cosi. (1.4)

Drop — интенсивность рассеянной радиации, падающей на горизонтальную поверхность; дгор — удельная интенсив­ность солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность; Ps, PD, Pr — коэффициенты положения сол­нечного коллектора соответственно для прямой, диффузи­онной и отраженной радиации:

Ps = cosi/sinA; PD = cos2p/2; Pr = sin2p/2; (1.5)

і — угол падения солнечного луча на поверхность кол­лектора; р — угол наклона солнечного коллектора к горизонту.

При изотропном распределении рассеянной радиа­ции по небосводу интенсивность радиации на наклонную поверхность

^пад = ^горС082Р/2. (1.6)

Часть потока суммарной солнечной радиации, падаю­щей на горизонтальную поверхность, имеющую альбедо а, отражается:

г = <7 a sin2p/2 = qP. (1.7)

В этой формуле не учитываются многократные отраже­ния и ослабления на пути от отражающей горизонтальной по­верхности к наклонной, поскольку они незначительны [20]. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных для рассеянной радиации показало их хорошее совпадение [21].

Коэффициент пропускания стеклом прямой солнечной радиации — важная характеристика. Основательный ана­лиз этого процесса на основе законов Френеля и Бугера из­ложен в работе [22], и предложена формула для определе­ния поглощательной способности стекла

(та) = та/[1 — (1 — х)р], (1.8)

где т, а и р — коэффициенты соответственно пропускания, поглощения и отражения излучения.

По данным экспериментальных исследований, значе­ние коэффициента пропускания обычным стеклом нор­мально падающей прямой солнечной радиации колеблется от 0,75 до 0,89, а разработанные в последние годы специ­альные гелиотехнические стекла имеют коэффициент про­пускания до 0,93 при почти полном отсутствии отражения.

Для более точного определения эффективности кол­лектора необходимо учитывать изменение температуры наружного воздуха в течение суток как на солнце, так и в тени. Это связано с тем, что часть оборудования (солнеч­ный коллектор) находится под действием прямого солнеч­ного излучения, а часть — в тени (теплопроводы).

В таком случае в уравнении теплового баланса солнеч­ного коллектора

и теплопровода

dt,

cj-^+uj(tt-to) = Scbiti-tj)

температура окружающей среды t0 не может приниматься одной и той же.

Здесь gni — расход теплоносителя через і-й коллек­тор re-го ряда; спі, сь — удельная теплоемкость отдель­ных коллекторов и теплоносителя; t’ni, t^ — темпера­тура теплоносителя на входе и выходе коллектора; tsni — средняя интегральная температура коллектора; t0 — температура окружающей среды; uni — коэффициент тепло­передачи і-го коллектора /i-го ряда; N — количество рядов; т — количество последовательно соединенных коллекторов; j, i — соответствующие участки системы.

С целью более точного расчета параметров гелиосистем (в частности, площади коллекторов) с учетом указанных недо­статков разработана математическая модель стохастическо­го генератора облачности и температуры окружающей среды. Температура на солнце Тс зависит от облачности О и темпера­туры в тени Тт, а последняя — от атмосферных фронтов, дви­жения воздушных масс и барических образований [23].

Зависимость между температурами Тс и Тт, можно счи­тать линейной:

Коэффициенты а, Ъ и с уравнения регрессии (1.11) мо­гут быть найдены с использованием метода наименьших квадратов:

S(a;b;c) = ^(Tci — аТТі — ЬО, — с) -»min,

где п — количество использованных статистических данных.

В результате тождественных преобразований получена следующая система уравнений:

+ЬІТ*°і +с£Тті=£ттіТсі;

І=1 1=1 {‘=1 І=1

«£7*0, +*£<? + ct°i =І°іТсі’’ (1.12)

i=l j=l £=1 i=l

а2Х+ь1°.+сл=2Х.

i=l 1=1 £=1

Предлагаемая структура генератора представлена на рис. 1.3.

В генераторе Г вырабатывается равномерно распреде­ленная некоррелированная случайная величина в интерва­ле (0, 1). 170 и!7т- преобразователи закона распределения (из равномерного в заданный закон распределения). Экс­периментальные наблюдения за облачностью наилучшим образом описываются p-законом с соответствующими па­раметрами распределения. Ф — фильтр, преобразующий
некоррелированные случайные последовательности в кор­релированные с заданной автокорреляционной функцией в соответствии с выражением

т

y(i) = ^bkE(j-k),i = 0, ±1, ±2, ….

где т — количество интервалов, покрывающих время спа­да автокорреляционной функции случайного процесса; Ьк — коэффициенты; E(J, К) — стационарная единичная не­коррелированная случайная последовательность.

Блок Кпр на рис. 1.3 реализует преобразование облачно­сти в баллах по десятибальной шкале в коэффициент про­пускания солнечной радиации облачностью в соответствии с выражением

где О — облачность в баллах.

Для измерения интенсивности солнечной радиации пользуются радиометрами, например типа РСП-100 и РСП-200 [24].

Одна из наиболее актуальных проблем заключает­ся в экономии энергетических ресурсов как в быту, так и в производственных процессах, что является следстви­ем существующей тенденции к истощению топливно­энергетических ресурсов. Рост затрат на производство энергии и глобальные экологические проблемы стимули­руют необходимость внедрения энергосберегающих техно­логий на основе возобновляемых экологически чистых ис­точников энергии.

Следует подчеркнуть, что ресурсо — и энергосбереже­ние являются двумя сторонами единого процесса: с одной стороны ведут к снижению эмиссии парниковых газов и оздоровлению окружающей среды, с другой стороны — к достижению экологической сбалансированности в функ­ционировании национальной экономики.

Один из путей указанного направления развития энер­гетики заключается в использовании возобновляемых ис­точников энергии.

Из всех видов возобновляемых источников наибольшее применение в мире получила солнечная энергия. Связано это как со сравнительной простотой устройств, ее исполь­зующих, так и с большим количеством солнечной энергии, поступающей на Землю. В мире уже установлено 140 млн м2 солнечных коллекторов, и ежегодный рост их количества составляет 1 млн м2. Ведущей страной по использованию солнечной энергии является Китай.

Наиболее целесообразное решение заключается в соз­дании на основе солнечной энергии комбинированных систем тепло-, хладо — и энергообеспечения, рационально интегрирующих возможности традиционной и альтерна­тивной энергетики. Альтернативный источник энергии подвержен естественным колебаниям активности, что тре­бует наличия компенсационного механизма (электробой­лера, газового бойлера и т. д.).

Большое распространение в мировой практике полу­чили солнечные системы в комбинации с тепловыми на­сосами. Немалую роль играет и процесс аккумулирования энергии. Наиболее эффективные решения должны основы­ваться на соответствующих методах оптимизации.

Настоящая монография предназначена для анализа и определения путей повышения эффективности солнечных систем энергоснабжения.

Монография состоит из трех частей. В первой и второй частях изложены теоретические основы систем солнечного теплоснабжения; в третьей части и приложениях 1, 2 при­водятся инновационные решения по организации и этапам реализации геотермальных энергетических проектов при использовании систем различного назначения в основном на примере Краснодарского края.

Главы 1-11 написаны доктором технических наук, про­фессором Р. А. Амерхановым совмесно с кандидатом тех­нических наук, доцентом К. А. Гарькавым, главы 12-17 написаны доктором технических наук Р. А. Амерхановым. Главы 18-21, приложение 1-2 подготовлены доктором технических наук, профессором В. А. Бутузовым.

Авторы выражают признательность Стребкову Д. С., Безруких П. П. за ценные рекомендации при рецензирова­нии монографии.

Авторы будут благодарны за замечания по данной мо­нографии, которые следует направлять по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13. Кубанский Государствен­ный Аграрный университет.