Для эффективного преобразования солнечной энергии в тепловую используют солнечные коллекторы. Все солнечные коллекторы имеют общую деталь – поверхностный или объемный поглотитель тепла. Тепло может отводиться из коллектора или аккумулироваться в нем. Коллекторы первого типа называют проточными, второго типа – с тепловым аккумулятором.
По виду теплоносителя коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Температура нагрева теплоносителя пропорциональна интенсивности солнечного излучения и обратно пропорциональна потерям тепла в окружающую среду.
Простейшим открытым солнечным коллектором с тепловым аккумулятором является открытый резервуар с водой, установленный на поверхности земли или изолированный от нее. Такие аккумуляторы применяют для нагрева больших объемов воды до температуры ниже 100 °С.
Более широкое распространение получили плоские проточные коллекторы (рис. 2.1).
2 – выход теплоносителя; 3 – корпус коллектора; 4 – стеклянное
покрытие; 5 – лучепоглощающая панель; 6 – второй слой стекла;
7 – теплоизоляция
Основным элементом коллектора является лучепоглощающая панель, имеющая хороший контакт с рядом труб или каналов по которым движется теплоноситель. Для более эффективного поглощения солнечных лучей поверхность панели окрашивают в черный цвет или наносят специальное поглощающее покрытие. Лучепоглощающая панель изготавливается из стали, меди или алюминия. Корпус коллектора служит для размещения всех частей коллектора и защиты их от атмосферного воздействия. Он изготавливается из стали, алюминия, стеклопластика, пластмассы. Для снижения потерь в окружающую среду нижняя часть панели покрывается теплоизоляцией. Над панелью располагается стеклянное покрытие толщиной 3…4 мм. Вместо стекла могут быть использованы прозрачные материалы из пластмассы [4].
Конструкции поглощающих панелей коллекторов показаны на рис 2.2.
Поглощающая панель должна обладать следующими основными свойствами: коррозийной стойкостью к теплоносителю; небольшой массой; хорошим контактом между листом и трубами; технологичностью при изготовлении.
Рис. 2.2. Конструкции поглощающих панелей коллекторов (поперечное сечение): а – стандартный панельный отопительный радиатор; б – панель из двух оцинкованных стальных листов – гофрированного и плоского; в – прокатно-сварная алюминиевая панель; г – регистр из труб с прикрепленным к ним листом; д – способы соединения металлического листа и трубы; е – регистр из труб с распирающими металлическими пластинами; ж – регистр из труб с поперечными ребрами; з – регистр из труб с продольными ребрами
В последнее время поверхность панелей стали оснащать селективно-поглощающими пленками. Благодаря этому повышается КПД коллектора.
Теплопроизводительность коллектора qк в расчете на единицу площади тепловоспринимающей поверхности можно определить как разность поглощенного солнечного излучения и потерь тепла в окружающую среду:
, (2.1)
где q – поверхностная плотность солнечного излучения в плоскости коллектора; f I – коэффициент эффективности; h 0 – оптический КПД, практически равный произведению пропускательной способности стекла ts на поглощающую способность as поглощающей панели в солнечном спектре;
k – коэффициент теплопередачи от теплоносителя в окружающую среду;
tж – средняя температура теплоносителя в коллекторе; t 0 – температура наружного воздуха.
Коэффициент эффективности f I характеризует степень неравномерности температурного поля в поперечном сечении панели, он зависит от конструкции панели. Если коэффициент теплопроводности материала листовой части панели l ®∞, термическое сопротивление контакта между листом и трубой Rк ®0 и коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к теплоносителю a ®∞, f I принимает максимальное значение равное единице. В хорошо спроектированном коллекторе коэффициент f I составляет 0,92…0,99, а максимальное значение h 0= ts × as равно 1. На практике оптический КПД h0 при одинарном остеклении не превосходит 0,8. Коэффициент теплопередачи k зависит от скорости ветра, числа стекол, расстояния между ними, расстояния между внутренним стеклом и панелью, степени черноты поглощающей панели.
В сухом коллекторе при отсутствии циркуляции теплоносителя температура внутри коллектора может превышать 100 °С. Если в коллекторе циркулирует вода, то в зависимости от скорости циркуляции и интенсивности солнечного излучения, ее температура составляет 40…80 °С. Переход от одинарного остекления к двойному приводит к уменьшению тепловых потерь, но при этом уменьшается плотность потока излучения.
Плоские стационарные коллекторы устанавливают на крыше здания под углом, примерно равным широте данной местности. При таком угле наклона лучи солнца падают почти вертикально к поверхности коллектора. Коллекторы можно включить в систему теплоснабжения зданий.
Поток солнечной энергии меняется в течении суток от нуля, в ночное время, до максимального значения в полдень. Он также зависит от времени года. Чтобы иметь тепло в нужном количестве в данный момент времени, необходимо часть солнечной энергии накапливать в тепловом аккумуляторе. Тепловые аккумуляторы можно разделить на:
1) аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) материала без изменения его агрегатного состояния (вода, водные растворы солей, камень, галька и др.);
2) аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) веществ;
3) аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.
В настоящее время в мире эксплуатируется более 5 млн. солнечных водонагревательных установок. Они используются как в индивидуальных жилых домах, так и в централизованных системах горячего водоснабжения жилых и общественных зданий. В районах, где солнце светит более 1800 часов в год солнечную энергию можно использовать для теплоснабжения зданий.
По принципу действия солнечные водонагревательные установки делятся на установки с естественной и принудительной циркуляцией теплоносителя (рис. 2.3).
Установки с естественной циркуляцией работают без насоса и не потребляют электроэнергии. Циркуляция возникает за счет разности плотностей холодной и горячей воды в подъемных и опускных трубах. Условием эффективной работы такой установки является тепловая изоляция всех нагретых поверхностей. Это прежде всего бак – аккумулятор, подъемные и опускные трубы, патрубок для отвода воды.
Рис. 2.3 Схемы солнечных водонагревателей: а – с естественной циркуляцией;
б – с принудительной циркуляцией; 1 – солнечное излучение; 2 – приемник излучения (коллектор); 3 – питательный насос; 4 – нагреватель; 5 – трубопровод горячего водоснабжения; 6 – бак; 7 – трубопровод подпитки воды; 8 – крыша
При холодном климате в солнечном коллекторе необходимо использовать незамерзающий теплоноситель (смесь воды с этилен- или пропиленгликолем, глизантин и др.).
Солнечные водонагревательные установки с естественной циркуляцией являются саморегулирующими системами. Расход теплоносителя определяется интенсивностью солнечного излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками солнечного коллектора, бака-аккумулятора и соединительных трубопроводов.
Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя обычно используют для горячего водоснабжения крупных объектов. Они включают в себя большое количество солнечных коллекторов, имеют большую теплопроизводительность, но имеют более сложную конструкцию.
Солнечные водонагреватели можно использовать в качестве первой ступени для предварительного подогрева воды в обычных системах горячего водоснабжения. В качестве дополнительного источника энергии можно использовать электронагреватель или топливный котел.
Солнечную энергию можно использовать для теплоснабжения зданий. Различают активные и пассивные системы солнечного теплоснабжения зданий.
Пассивные системы являются частью самого здания. Оно должно проектироваться таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать солнечную энергию для отопления. Прямое улавливание солнечной энергии наиболее полно может осуществляться при соблюдении следующих условий:
1) оптимальная ориентация дома – вдоль оси восток-запад или с отклонением до 30° от этой оси;
2) на южной стороне располагается 50…70 % всех окон, а на северной – не более 10 %, причем южные окна должны иметь двухслойное остекление, а северные – трехслойное;
3) здание должны иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери из-за инфильтрации наружного воздуха;
4) внутренняя планировка здания должна обеспечить расположение жилых комнат с южной стороны, а вспомогательных помещений – с северной;
5) должна быть достаточная теплоаккумулирующая способность внутренних стен и пола;
6) в летний период для предотвращения перегрева помещений над окнами должны быть предусмотрены козырьки. На рис. 2.4 показана система солнечного отопления здания.
Рис. 2.4. Пассивный солнечный нагреватель: основная система (а) и окно в фонаре (б) для прямого нагрева задней стенки здания. Стрелками указано, где использованы массивные, окрашенные в черный цвет поверхности с усиленной теплоизоляцией для поглощения и накопления солнечного тепла
Если строить здание с накопительной стенкой с солнечной стороны, то можно получить больший и лучше контролируемый приход тепла. На рис. 2.5 показана стена, представляющая бетонную плиту толщиной 30 см с внешним стеклянным покрытием и щелями вверху и внизу. Зимой система работает как встроенный воздушный нагреватель с тепловой циркуляцией воздуха. Летом такую стену может затенять козырек крыши, или по дому можно пропускать холодный воздух с теневой стороны [5].
Активная система солнечного отопления включает в себя солнечные коллекторы, аккумулятор теплоты, дополнительный (резервный) источник энергии, теплообменники для передачи теплоты из коллекторов в аккумулятор, а затем потребителям, насосы и вентиляторы, трубопроводы с арматурой и устройства для автоматического управления работой системы. Солнечные коллекторы устанавливаются на крыше здания, а остальное оборудование размещается в подвале.
Рис. 2.5. Принцип действия накопительной стенки Tromble-Michel зимой
Активные и пассивные системы солнечного отопления имеют свои преимущества и недостатки. Активные системы легко интегрируются со зданием, обладают возможностью автоматического управления и снижения тепловых потерь. Но при эксплуатации активных систем солнечного отопления возникают проблемы связанные с недостаточно надежной работой оборудования. Пассивные системы просты, надежны в работе и недороги. Но они также имеют недостатки, прежде всего связанные с поддержанием необходимого температурного режима в помещениях. Использование гибридных систем солнечного отопления дает возможность объединить достоинства активных и пассивных систем и повысить их эффективность [6].
Во многих странах широкое распространение получают солнечные холодильные установки. Тепло, необходимо для работы абсорбционных холодильников может быть получено от солнечных нагревательных систем. Важным преимуществом абсорбционных холодильных установок является высокая аккумулирующая способность, что компенсирует неравномерность поступления солнечного излучения. Существует большое количество холодильников, использующих солнечную энергию, в том числе и такие, которые могут работать 24 часа в сутки.
Солнечные водоопреснительные установки являются одним из важных направлений по использованию солнечной энергии. Простейший солнечный опреснитель представляет собой плоский приемник солнечного излучения, испаряющий солоноватую или загрязненную воду. При испарении пар не выносит примесей. Затем он конденсируется и конденсат поступает в сборник воды.
Существует более сложные промышленные установки. Схема солнечной водоопреснительной установки с испарительной и конденсационной камерами представлена на рис. 2.6.
Конденсатором пресной воды служит теплоизолированный теплообменник 5, являющийся испарительной камерой фреона – рабочего тела теплового насоса.
Рис. 2.6. Схема солнечной теплонасосной опреснительной установки:1 – солнечное излучение; 2 – конденсаторная камера; 3 – прозрачная поверхность; 4 – вентилятор паровоздушной смеси; 5 – испарительная камера; 6 – циркуляционный трубопровод; 7 – выход пара фреона; 8 – фреоновый теплообменник; 9 – бак для жидкого фреона; 10 – компрессор фреонового пара
Вентилятором 4 создается непрерывная циркуляция по трубопроводу 6 паровоздушной смеси, образующейся в конденсаторной камере 2 за счет солнечного излучения, проникающего через прозрачную поверхность 3. Теплота конденсации фреона также передается испаряющейся соленой воде. КПД такой установки составляет около 58 % [3].
