Способи прямого використання сонячної енергії

Сонячну енергію можна використовувати для отримання теплоти, такий розділ геліоенергетики називається сонячною теплоенергетикою.

Системи, що перетворюють енергію сонячного випромінювання в теплоту, можна розділити на дві групи: активні, де вловлювання і перетворення сонячної енергії здійснюється в спеціальних пристроях

- сонячних колекторах, і пасивні, де приймачем випромінювання є сама споруда.

За допомогою сонячної теплоти можна отримувати електричну енергію, такий розділ геліоенергетики називається сонячною теплоелектроенергетикою.

Сонячні теплові електростанції можуть бути баштового, параболічного (модульні) і тарілкового типів.

За допомогою фотоелементів сонячне випромінювання можна безпосередньо перетворювати в електричну енергію. Такий розділ геліоенергетики називається сонячною фотоенергетикою.

4.2.1 Сонячна теплоенергетика

4.2.2.1 Активні сонячні системи теплопостачання

Призначені для теплопостачання індивідуальних і багатоквартирних житлових будинків, лікувально-оздоровчих установ, фермерських господарств, дачних ділянок, плавальних басейнів, а також для виробничих процесів у промисловості і сільському господарстві.

Активні системи сонячного теплопостачання класифікуються за такими ознаками:

- за призначенням: системи гарячого водопостачання, опалення, комбіновані системи;

- за ступенем охоплення споживачів: індивідуальні, групові та централізовані;

- за часом роботи протягом року: сезонні, річні;

- за кількістю контурів: одно-, дво - і багато контурні;

- за способом циркуляції теплоти: із природною циркуляцією і з примусовою циркуляцією;

- за наявністю і типом дублювального джерела;

- за видом енергоносія: водяні, повітряні тощо.

Сонячний колектор

Робота системи теплопостачання ґрунтується на використанні сонячних колекторів, у яких відбувається вловлювання сонячної радіації, її перетворення в теплоту і нагрівання теплоносія. В цей час широко використовуються плоскі колектори, особливістю яких є те, що вони перетворюють у теплоту як пряме, так і розсіяне випромінювання. Тому плоскі колектори не потребують застосування складних систем спостереження за Сонцем.

Плоский колектор сонячної енергії являє собою коробку, яка має теплоізоляцію і закрита зверху прозорою герметичною кришкою (засклення). Всередині ящика розміщується абсорбер - плоска променепоглинальна пластина, верхня частина якої пофарбована в чорний колір для кращого поглинання сонячного випромінювання (рисунок 4.2.4).

Рисунок 4.2.4 - Конструкція плоского колектора сонячної енергії: 1 - засклення; 2 - променепоглинальна поверхня з трубками для рідини, що нагрівається (абсорбер); 3 - корпус; 5 - теплоізоляція; 5 - подача теплоносія

Абсорбер має спеціальну вигнуту форму для утворення каналів для теплоносія; можлива плоска конструкція абсорбера з привареними або припаяними для теплоносія трубками круглого або прямокутного перерізу. Деякі конструктивні схеми абсорберів плоских колекторів, що найбільш широко застосовується у цей час, показано на рисунку 4.2.5

Рисунок 4.2.5 - Схеми абсорберів плоских рідинних колекторів:

а - труба в листі; б - з’єднання плоского і гофрованого листів; в - штамповані листи; г - плоский лист із привареними до нього прямокутними каналами

Різновидом плоских колекторів є теплова труба (рисунок 4.2.6). Вона являє собою похилу конструкцію з герметичним каналом, який частково заповнений теплоносієм у вигляді дистильованої води, ацетону тощо. В нижній частині труби (неізольованій зверху) відбувається випарювання робочої рідини під дією сонячної енергії. У верхній частині (ізольованій зверху) робочий теплоносій віддає теплоту іншому теплоносію, в результаті чого пари робочої рідини конденсуються і самостійно під силою тяжіння повертаються в зону випаровування. До переваг теплових труб можна віднести зменшення зони протікання робочої рідини, що зменшує втрату енергії, саморегулювання процесу за рахунок термосифонної системи, високу густину потоку переданої теплоти при невеликих габаритах.

Рисунок 4.2.6 - Конструкція колектора з плоскою тепловою трубою: 1 - засклення; 2 - теплова труба (зона випаровування); 3 - теплова труба (конденсаційна зона); 4 - труба для відводу теплоти; 5 - теплоізоляція; 6 - корпус колектора

з А 5

У звичайних плоских колекторах практично неможливо одержати температуру теплоносія вище 100 °С. Це пояснюється тим, що з підвищенням температури теплоносія істотно зростають втрати теплової енергії теплопровідністю і конвекційним перетіканням шару повітря, що розташований між абсорбером і скляним покриттям корпусу колектора. Зниження цих втрат можна досягти при розміщенні в зазорі між осклянілістю й абсорбером прозорої стільникової структури, виконаної з пластмаси у вигляді довгастих осередків, що нагадують бджолині стільники. Такі плоскі колектори дозволяють нагрівати рідкий теплоносій до температури 200-250 °С.

Збільшення робочої температури теплоносія в сонячних колекторах до 250-300 °С можна забезпечити за допомогою вакуумних скляних трубчастих колекторів, деякі конструкції яких показано на рисунку 4.2.7. Як теплоносій у таких колекторах може використовуватися вода, розчини етиленгліколю і пропіленгліколю, силіконова олія тощо.

Рисунок 4.2.7 - Поперечний розріз вакуумних скляних трубчастих колекторів: а...д - варіанти різного конструктивного виконання вакуумних трубчастих колекторів; 1 - скляна вакуумна оболонка; 2 - трубка для рідини що нагрівається; З - променепоглинальна поверхня; 4 - відбивач; 5 - теплоізоляція

Звичайно модуль сонячного колектора являє собою пакет із декількох (до 10) скляних вакуумних оболонок із трубками для теплоносія, що об'єднані загальним трубопроводом.

Рисунок 4.2.8 - Концентратори сонячної енергії: а - параболо-циліндричний концентратор із трубчастим приймачем випромінювання; б - фоклін; в - параболоїдний концентратор; г - лінза Френеля; д - поле геліостатів із центральним приймачем випромінювання; 1 - відбивач; 2 - теплоприймач

Як теплоносій у плоских колекторах геліоустановок, призначених для опалення та гарячого водопостачання, використовується найчастіше вода чи антифриз, рідше - повітря. Вода має високу теплоємність, достатню густину, добре проводить теплоту, але вона має корозійні властивості до більшості конструкційних матеріалів, а також здатність замерзання при мінусових температурах. Повітря як теплоносій вільний від недоліків води, однак його теплофізичні

Підвищити щільність сонячного випромінювання можна за допомогою фокусувальних колекторів, які обладнуються оптичними пристроями типу лінз, дзеркал тощо (рисунок 4.2.8). Особливістю фокусувальних колекторів є необхідність відслідковування положення Сонця на небозводі за допомогою спеціальних автоматичних механізмів, оскільки вони несприйнятливі до розсіяного сонячного випромінювання. Фокусувальні сонячні колектори в більшості випадків використовуються, коли необхідно одержати високу температуру (сонячні електростанції, нагрівальні печі тощо).

властивості значно уступають воді. До того ж, рівень шуму вентиляторів у повітряних системах перевищує, як правило, рівень шуму водяних насосів у рідинних системах.

У рідинних колекторах можуть застосовуватися незамерзаючі 50 %-ні водні розчини етиленгліколю і пропіленгліколю (температура замерзання - мінус 30-40 °С). їхнім недоліком є невеликий термін служби, що не перевищує 5 років, до того ж, етиленгліколь токсичний.

Якість виконання абсорбера характеризується ступенем селективності, що являє собою відношення коефіцієнта поглинання короткохвильового сонячного випромінювання поверхнею абсорбера до випромінювальної здатності цієї поверхні в інфрачервоній області. Для підвищення ступеня селективності абсорбер покривають селективним шаром у вигляді сажі, оксиду міді, чорного нікелю, чорного хрому.

Засклення, або світлопрозора ізоляція плоских колекторів, служить для зниження втрат енергії тепловим випромінюванням від абсорбера в навколишнє середовище і захисту абсорбера від атмосферних опадів.

Корпус колектора повинний бути теплоізольованим, для чого зазвичай використовується пінополіуретан або полістирол, можуть застосовуватися й інші теплоізолятори.

Розрахунок кількості сонячної енергії

Показником ефективності колектора сонячної енергії є його ККД, що обчислюється за виразом, який може бути використаним для оцінки значення ККД за визначений проміжок часу (година, доба, місяць, рік):

% = -^~,

Ek-F

де Oj - - теплопродуктивність колектора, МДж;

Ek - кількість сонячної енергії, що надходить на 1 м поверхні сонячного колектора, МДж/м ;

F - площа поверхні абсорбера колектора, м.

Теплопродуктивність сонячного колектора (МДж) визначається за виразом

Qk =m-cp-(t2-tl)-T-lO~3 ,

дq т - секундна витрата теплоносія, кг/с;

ср - питома масова теплоємність теплоносія, кДж/(кг-°С);

h^2 ~ відповідно температура на вході і виході з абсорбера, °С;

Т - час, за який визначається ККД, с.

Для розрахунку кількості сонячної енергії, що надходить на похилу променепоглинальну поверхню, необхідно знати кути падіння сонячних променів на похилу і горизонтальну поверхні в даній точці Землі. Для одержання максимальної кількості сонячної енергії за розрахунковий період сонячний колектор варто встановити в похилому положенні з оптимальним кутом нахилу до обрію. При цьому кут падіння сонячного випромінювання на похилу поверхню з південною орієнтацією обчислюється за виразом

cos а = sin( - Р) • sin 5 + cos( - (3) • cos 5 • cos со, де ф - широта місцевості;

Р - кут нахилу сонячного колектора до обрію; со - часовий кут Сонця;

8 - відмінювання Сонця.

Кут со = 0 у сонячний полудень (коли Сонце знаходиться в зеніті), а в 1 год - відповідно 15 °. Відмінювання Сонця 8 - це кут між лінією, що з'єднує центри Землі і Сонця, та її проекцією на площину екватора. Відмінювання Сонця 8 протягом року безупинно

змінюється від мінус 23°27/ у день зимового сонцестояння (22

грудня) до плюс 23°27 у день літнього сонцестояння (22 червня) і дорівнює нулю в дні весняного й осіннього рівнодення (21 березня і 23 вересня). Відмінювання Сонця в будь-який день визначається за виразом

248 + п 5 = 23,45 sin* (360^———),

365

де п - порядковий номер дня, відлічуваний від 1 січня.

Середньомісячне денне надходження сонячної енергії на похилу поверхню сонячного колектора можна розрахувати за виразом

Ек =R-E,

де R - коефіцієнт перерахування сумарного потоку сонячної енергії з горизонтальної поверхні на похилу поверхню;

Е - середньомісячна денна сумарна кількість енергії, що надходить на горизонтальну поверхню, МДж/(м • день).

Завдяки нахилу сонячного колектора до обрію під кутом Р = ер колектор у зимовий період часу для району м. Київ може прийняти сонячну енергію в кількості, що дорівнює приблизно 40 % надходжень енергії в літню пору.

Q, МДж/добу

Рисунок 4.2.9 - Коливання річного теплового навантаження теплохолодопостачання і гарячого водопостачання для житлових приміщень: 1 - опалення; 2 - охолодження; 3 - гаряче водопостачання; Q - середнє значення добового теплового навантаження, МДж/добу

Місяць

Середню витрату теплоти (Дж) на гаряче водопостачання при децентралізованому теплопостачанні будинку за розрахунковий період можна визначити за виразом

Надходження сонячної енергії нестабільне в часі, її максимальне значення припадає на літній час. Щодо потреби в енергії для житлового будинку, то вона має вигляд, зображений на рисунку 4.2.9. З рисунка видно, що теплове навантаження систем гарячого водопостачання в житлових будинках порівняно стабільне в різні пори року, для опалення та охолодження приміщень необхідна значна сонячна енергія. В період максимуму сонячної діяльності (літні місяці) потреба енергії сонця для будівель мінімальна. Тому при використанні сонячних колекторів для опалення й гарячого водопостачання слід передбачати резервний споживач енергії, який буде споживати її під час зниження теплового навантаження житлом. Для цього можуть бути використані акумулятори теплоти або інші споживачі теплоти (наприклад плавальні басейни тощо).

Qe. e. 1,2 • • Cp • tx e.') ' ^ ' її 7

де a - норма витрати води на гаряче водопостачання житлових будинків на одного жителя за добу, л/(доба-житель);

ср - питома ізобарна теплоємність води, ср = 4190Дж/(кг*°С);

р - густина води, р = 1 кг/л;

t2m6m ~ температура гарячої води, звичайно береться 65 °С;

^х. в. ~ температура холодної (водопровідної) води, звичайно

береться 15 °С влітку і 5 °С взимку;

N — кількість жителів;

п - кількість днів у розрахунковому періоді.

Ґрунтуючись на досвіді проектування, спорудження й експлуатації геліоустановок гарячого водопостачання за умов різних регіонів України, визначено оцінку питомої економії палива Епал чи

електричної енергії Еен, віднесеної до їм площі сонячного колектора, встановленого під кутом 30° до обрію (таблиця 4.2.3).

Таблиця 4.2.3 - Значення питомої економії палива (електричної енергії) Місто Е ^пал? 2 кг у. п./(м - рік) Е ^ЄН 5 кВт-год/(м - рік) Сімферополь 132 768 Одеса 128 746 Донецьк 115 639 Київ 103 573 Суми 94 519 Львів 86 МІ

Системи гарячого водопостачання Найпростіша установка гарячого водопостачання являє собою плоский бак, заповнений водою і закритий склом. Влітку в ясну погоду така установка забезпечує нагрівання на 1 м площі 50-100 л води до температури 40-50 °С. Через горизонтальне розташування такі установки працюють задовільно тільки при великій висоті стояння Сонця, до того ж, вони мають високі втрати внаслідок тепломасообміну між водою й заскленням. При використанні теплоізоляції дна і бічних стінок бака ефективність установки

л 2 ~

підвищується і дозволяє одержати влітку з 1 м теплосприимальної поверхні 85 л води з температурою 65 °С.

Такі геліосистеми використовуються в основному для гарячого водопостачання індивідуальних душових, дитячих таборів, кемпінгів, пансіонатів тощо.

Основними елементами системи сонячного гарячого водопостачання є рідинний сонячний колектор і бак-акумулятор. Системи можуть бути одно-, дво - і багато контурними, з природною (термосифонною) чи примусовою циркуляцією.

Найбільш простими за будовою є одноконтурні системи з природною циркуляцією (рисунок 4.2.10). Бак-акумулятор у них розташовується над сонячним водяним колектором, і вода циркулює в результаті природної конвекції. Такі системи можуть легко приєднуватися до традиційних систем гарячого водопостачання з місцевим підігрівом води.

Рисунок 4.2.10 - Принципова схема одноконтурно!' системи сонячного гарячого водопостачання з природною циркуляцією теплоносія: 1 - сонячний водяний колектор; 2 - бак-акумулятор гарячої води

Недоліком такої системи є необхідність установки бака - акумулятора на покрівлі, що потребує пристрою зі спеціальною основою та обмежує місткість бака. Також до недоліків можна віднести низьку теплову ефективність, викликану малими швидкостями руху теплоносія. Проте завдяки простоті виготовлення й обслуговування розглянуті системи набули значного поширення серед малих споживачів.

До одноконтурних систем сонячного гарячого водопостачання належать і проточні системи (рисунок 4.2.11). Вони можуть застосовуватися для попереднього підігріву води в сонячно-паливних котельнях із відкритим водозбором.

вода

вода

Рисунок 4.2.11 - Принципова схема одноконтурної проточної системи сонячного гарячого водопостачання: 1 - сонячний водяний колектор; 2 - бак-акумулятор гарячої води

Сезонні геліосистеми гарячого водопостачання звичайно є одноконтурними і функціонують у літні і перехідні місяці в періоди з плюсовою температурою зовнішнього повітря. Вони можуть мати додаткове джерело тепла чи обходитися без нього залежно від призначення об'єкта, що обслуговується, та умов експлуатації.

Для підвищення ефективності роботи колекторів, можливості їх роботи в зимовий період використовують антифриз як проміжний теплоносій у дво - або багатоконтурних системах із примусовою циркуляцією (рисунок 4.2.12).

Такі системи застосовуються для теплопостачання будинків відпочинку, багатоповерхових житлових будинків, готелів тощо.

Системи сонячного опалення

В активних системах сонячного опалення за допомогою спеціального устатковання здійснюється регульоване поглинання, акумулювання та розподіл сонячного тепла. В цих системах тепло передається від сонячного колектора до акумулятора, і потім у приміщення.

Системи сонячного опалення будинків зазвичай є двоконтурними, але можуть бути і багатоконтурними. Як теплоносії у цих системах використовують як рідини, так і повітря, причому для різних контурів можуть бути застосовані різні теплоносії (наприклад, у сонячному контурі - водяні розчини незамерзаючих рідин, у проміжних контурах - вода, а в контурі споживача - повітря).

Порівняно з поверхнею колекторів сонячної системи гарячого водопостачання поверхня колекторів для систем опалення повинна бути в 3-5 разів більша.

4

Необхідним елементом сонячної системи опалення є акумулятор, у ролі якого здебільшого використовується галька, при цьому як теплоносій приймається повітря (рисунок 4.2.13).

в) г)

Д) е)

Рисунок 4.2.12 - Принципові схеми двоконтурних систем сонячного гарячого водопостачання з примусовою циркуляцією теплоносія:

а - зі швидкісним водо-водяним теплообмінником; б - із баком-акумулятором гарячої води, суміщеним із теплообмінником; в - із проміжним циркуляційним контуром; г - із секційними баками - акумуляторами гарячої води, суміщеними з теплообмінниками; д - зі швидкісним і ємнісним водо-водяним теплообмінником, суміщеним із баком-акумулятором гарячої води; е - зі швидкісним і секційним ємнісним водо-водяним теплообмінником, суміщеним

із секційними баками-акумуляторами гарячої води;

1 - сонячний рідинний колектор; 2 - теплообмінник; 3 - бак-акумулятор гарячої води; 4 - гаряча вода до споживача; 5 - холодна вода;

6 - циркуляційний насос

Рисунок 4.2.13 - Принципова схема активної повітряної системи сонячного опалення 1 - сонячний повітряний колектор; 2 - триходові заслінки; З - гальковий акумулятор теплоти; 4 - додаткове джерело енергії; 5 - вентилятор; 6 - байпасна лінія акумулятора

Схема дозволяє працювати в чотирьох режимах:

- при наявності сонячної енергії і відсутності необхідності в теплопостачанні будинку - вся енергія запасається в акумуляторі;

- при наявності сонячної енергії і необхідності в теплопостачанні будинку - вся теплота від сонячного колектора витрачається на опалення будинку;

- при відсутності сонячної радіації і необхідності в теплопостачанні будинку - використовується теплота акумулятора;

- при відсутності сонячної радіації, вичерпаному запасі теплоти в акумуляторі і необхідності в теплопостачанні будинку - використовується додаткове джерело енергії з підключенням байпасної лінії.

У реальних системах (наприклад, у теплий час року) можливий і режим, коли акумулятор енергетично насичений, відсутня необхідність у теплопостачанні будинку, а колектор може виробляти тепло. Для таких випадків необхідно передбачати додаткові робочі режими, наприклад режим гарячого водопостачання.

Системи з повітряним теплоносієм мають ряд переваг у порівнянні з системами, де теплоносієм є вода. До переваг відносять відсутність замерзання теплоносія в сонячному нагрівані і перегріву в період, коли тепло не відводиться, корозія в таких системах також є незначною. До недоліків систем варто віднести дуже високі витрати на прокачування повітря, відносно великі обсяги акумулятора.

На рисунку 4.2.14 зображено принципову схему найбільш розповсюдженої системи водяного опалення з баком-акумулятором.

Ця система допускає одночасне надходження в бак-акумулятор теплоти від колектора та відбирання з бака-акумулятора гарячої води для опалення будинку. В системі передбачена байпасна лінія для бака-акумулятора, що не допускає нагрівання води в акумуляторі за рахунок додаткового джерела енергії.

До переваг систем водяного опалення належать використання загального теплоносія для системи теплопередачі й акумулятора, менший обсяг акумулятора та відносно низькі енергетичні витрати на перекачування теплоносія. Однак застосування води в системах опалення створює ряд труднощів, які пов’язані з можливістю замерзання води в сонячному нагрівачі в нічні години, виникнення корозії в системі.

2 4 Рисунок 4.2.14 - Принципова схема водяної системи сонячного опалення: 1 - сонячний водонагрівач; 2 - триходовий кран; З - водяний акумулятор тепла; 4 - додаткове джерело тепла; 5 - насос; 6 - байпасна лінія акумулятора

Для запобігання замерзанню теплоносія використовують розчин антифризу, але при цьому доцільно мати двоконтурну систему. В сонячному контурі використовується антифриз, а в системі опалення - вода, обидва контури розділяють теплообмінником, що більш доцільно, ніж застосування одноконтурно!’ системи з антифризом.

Інтерес становить схема використання сонячної енергії для опалення, що використовується реально в одному з офісів. У схемі (рисунок 4.2.15) передбачено сезонну акумуляцію теплової енергії і використання її в холодний період року.

Рисунок 4.2.15 - Система використання сонячної енергії для опалення з накопиченням теплоти в сезонному акумуляторі: 1 - сонячний колектор; 2 - колекторний насос; 3 - бак-акумулятор; 4 - сезонний акумулятор теплоти; 5 - насос сезонного акумулятора; 6 - теплообмінник підігрівання припливного повітря; 7 - приплив холодного повітря; 8 - подача підігрітого повітря в приміщення; 9 - насос системи вентиляції

Рідинний теплоносій колектора через бак-акумулятор забезпечує накопичення теплоти сонячного колектора в акумуляторі великої ємності, який розташований у підвальній частині будинку (під фундаментом). У холодну частину року в спеціальному теплообміннику акумульована теплота використовується для підігрівання припливного вентиляційного повітря.

Комбіновані сонячні системи

Комбіновані сонячні системи передбачають одночасне використання сонячних колекторів для гарячого водопостачання та опалення приміщень.

На рисунку 4.2.16 зображено принципову схему комбінованої активної повітряної системи сонячного теплопостачання. В схемі повітряного колектора передбачений гравійний акумулятор, який зберігає надлишки теплоти. Послідовно з колектором підключений повітроводяний теплообмінник для бака попереднього підігрівання води. Нагрівання води до потрібної температури відбувається за рахунок додаткового джерела теплоти. Тепле повітря в приміщення подається вентилятором, при цьому теплота напряму може йти від колектора, від гравійного акумулятора або від додаткового джерела теплоти, в останньому випадку передбачається байпасна лінія, щоб не підігрівати гравій в акумуляторі.

2 11 11 5 Рисунок 4.2.16 - Принципова схема комбінованої активної повітряної системи сонячного теплопостачання: 1 - сонячний повітряний колектор; 2 - повітроводяний теплообмінник; З - насос; 4 - вентилятор; 5 - додаткове джерело теплоти; 6 - гравійний акумулятор теплоти; 7 - додатковий водонагрівач; 8 - бак попереднього підігрівання води; 9 - бак гарячої води; 10 - байпасна лінія; 11 - триходовий клапан

Рисунок 4.2.17 - Принципова схема комбінованої водяної системи сонячного теплопостачання: 1 - сонячний водяний колектор; 2 - швидкісний водо-водяний теплообмінник; 3 - бак-акумулятор; 4 - бак гарячої води; 5 - додаткове джерело теплоти системи гарячого водопостачання; 6 - додаткове джерело теплоти для системи опалення; 7 - циркуляційні насоси

На рисунку 4.2.17 наведено схему комбінованої водяної системи сонячного теплопостачання.

В колі водяного сонячного колектора розташовані два швидкісні теплообмінники, один, відповідно, для системи гарячого водопостачання, другий - для системи опалення. В системі опалення як теплоносій використовується вода. В кожній із систем передбачені додаткові джерела теплоти.