Анализ использования солнечных тепловых установок

Проблема горячего водоснабжения, особенно в летний период, является одной из энергозатратных задач жилищно-комунального хозяйства (ЖКХ) городов, объектов санаторно-курортного комплекса, больниц, детских учреждений и т.п.

Системы горячего водоснабжения па основе плоского солнечного коллектора уже сейчас получили широкое распространение в различных странах (Япония, Израиль, США и Европа). Уже эксплуатируются довольно мощные установки для отопления домов и нагрева воды в плавательных бассейнах. Накопленный к настоящему времени опыт использования нетрадиционных энергоносителей показывает, что для обеспечения населения и предприятий горячей водой с температурой вплоть до 100 ^оС могут использоваться солнечные котельные на основе гелиоколлекторов различных конструкций. С ростом температуры воды на выходе КПД гелиоколлекторов падает. Поэтому обычно температуру на выходе поддерживают на уровне 55-60 градусов Цельсия, что соответствует санитарным нормам. При этом КПД составляет 50-60%. Более высокие значения реализуются при использовании для чернения поверхности абсорберов так называемых селективных покрытий, обладающих высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения в оптическом диапазоне длин электромагнитных волн солнечного спектра и низким коэффициентом излучения в инфракрасном диапазоне, соответствующем температуре абсорбера.

В настоящее время тепловыми солнечными установками принято называть различные типы гелиоколлекторов, в которых под воздействием солнечной радиации нагревается теплоноситель (обычно вода или антифриз), с последующей передачей тепловой энергии потребителю. Эти установки могут оснащаться концентраторами солнечной энергии, а также в зависимости от типа концентратора системами слежения за Солнцем.

Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей.

Наиболее широкое применение в мировой практике получили плоские солнечные коллекторы (см.рис.1).

Рис.1. Поперечный разрез плоского солнечного коллектора

1- прозрачное покрытие, 2- поглощающую поверхность (абсорбер), 3 - тепловую изоляцию, 4- корпус.

Главными элементами гелиоколлекторов является: абсорбер, теплоизолированный корпус, прозрачное покрытие корпуса. Абсорбер – поверхность, непосредственно поглощающая энергию солнечного излучения и передающая ее теплоносителю, циркулирующему по каналам – трубкам. Солнечное излучение, попадая на черную поверхность абсорбера, преобразуется в тепловую энергию, которая передается воде, протекающей по каналам абсорбера.

Принцип действия солнечного водонагревателя представлен на рис. 2. Находясь в контакте с поглотителем коллектора, вода нагревается и с помощью насоса или путем естественной циркуляции движется по контуру. Затем жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере надобности, или в теплообменник, через который энергия передается теплоносителю.

Основным приемником тепла на рис.3 является поглотитель. Жидкость в нем либо непосредственно омывает тыльную часть пластины поглотителя, либо проходит через систему труб, являющихся по существу частью этой пластины. В воздухонагревательных коллекторах пластины поглотителей имеют множество отверстий, при прохождении через которые воздух нагревается. В условиях хорошего теплообмена между окружающей средой и пластинами (это характерно для нагревания жидкости) температуры поглотителя и жидкости одинаковы. Поскольку жидкость нагревается при прохождении через коллектор, очевидно, что на входе жидкости поглотитель холоднее, нежели на выходе. Перепад температуры зависит как от удельной теплоемкости жидкости, так и от скорости ее движения.

Рис.2. Гелиоколлектор с принудительной циркуляцией теплоносителя

Плоские коллекторы – самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Обычно этот коллектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик со стеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черный цвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либо матовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть поступающего на коллектор солнечного света). Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Пластину абсорбера обычно окрашивают в черный цвет, так как темные поверхности поглощают больше солнечной энергии, чем светлые. Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечное излучение в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю - воздуху или жидкости, циркулирующей по трубкам. Поскольку большинство черных поверхностей все же отражает порядка 10% падающего излучения, некоторые пластины-поглотители обрабатываются специальным селективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет и служит дольше, чем обычная черная краска. Селективное покрытие, используемое в коллекторах, состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного материала, нанесенного на металлическое основание. Селективные покрытия отличаются высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области.

Другой тип коллектора – это вакуумированные коллекторы. Этот тип коллекторов более эффективный, однако, для его производства требуются технологии, превышающие по трудоёмкости технологии необходимые для производства простых плоских коллекторов [31].

Большой интерес с точки зрения эффективности использования являются воздушные коллекторы. Они имеют то преимущество, что им не свойственны проблемы замерзания и кипения теплоносителя. В этих гелиоколлекторах часто используются более дешевые материалы, чем в жидкостных.

Воздушные коллекторы представляют собой простые плоские коллекторы (см.рис.1) в которых теплоносителем является воздух и используются в основном для отопления и вентиляции помещений. Поглощающими пластинами в воздушных коллекторах служат металлические панели, многослойные экраны, в том числе и из неметаллических материалов. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель.

Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надежность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов.