Солнечное теплоснабжение

1. Солнечные коллекторы.

2.

Солнечный коллектор является основным элементом установки, в которой энергия излучения Солнца преобразуется в другую форму полезной энергии. В отличие от обычных теплообменников, в которых происходит интенсивная передача тепла от одной жидкости к другой, а излучение несущественно, в солнечном коллекторе перенос энергии к жидкости осуществляется от удаленного источника лучистой энер­гии. Без концентрации солнечных лучей плотность потока падающего излучения составляет в лучшем случае -1100 Вт/м² и является пере­менной величиной. Длины волн заключены в интервале 0,3 - 3,0 мкм. Они значительно меньше величин длин волн собственного излучения большинства поверхностей, поглощающих излучение. Таким обра­зом, исследование солнечных коллекторов связано с уникальными проблемами теплообмена при низких и переменных плотностях потока энергии и относительно большой роли излучения.

Солнечные коллекторы могут применяться как с концентрацией, так и без концентрации солнечного излучения. В плоских коллекторах поверхность, воспринимающая солнечное излучение, является одно­временно поверхностью, поглощающей излучение. Фокусирующие кол­лекторы, обычно имеющие вогнутые отражатели, концентрируют падаю­щее на всю их поверхность излучение на теплообменник с меньшей площадью поверхности, увеличивая тем самым плотность потока энер­гии.

1.1. Плоские солнечные коллекторы. Плоский солнечный коллектор представляет со­бой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет энергии излучения Солн­ца.

Плоские коллекторы могут применяться для нагрева теплоноси­теля до умеренных температур, t ≈ 100 ^oC. К их преимуществам следует отнес­ти возможность использования как прямой, так и рассеянной солнеч­ной радиации; они не требуют слежения за солнцем и не нуждаются в повседневном обслуживании. В конструктивном отношении они проще, чем система, состоящая из концентрирующих отражателей, погло­щающих поверхностей и механизмов слежения. Область применения солнечных коллекторов - системы отопления жилых и производственных зда­ний, системы кондиционирования, горячего водо­снабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом, работающие обычно по циклу Ренкина.

Основными элементами типичного плоского солнечного коллектора (рис.1) являются: "черная" поверхность, которая поглощает солнечную радиацию и передает ее энергию теплоносителю (как правило жидкости); прозрачные относительно солнечного излучения покрытия, расположенные над поглощающей поверхностью, которые уменьшают конвективные и ра­диационные потери в атмосферу; теплоизоляция обратной и торцевой поверхностей коллектора для снижения потерь за счет теплопроводности.

Рис.1. Принципиальная схема плоского солнечного коллектора. 1 - прозрачные покрытия; 2 - изоляция; 3 - труба с теплоносите­лем;

4 - поглощающая поверхность.

Рис.2 Солнечный коллектор типа лист - труба.

1 - верхний гидравлический коллектор; 2 - нижний гидравлический коллектор; 3 - п труб, расположенных на расстоянии W друг от дру­га; 4 - лист (поглощающая пластина); 5- соединение; 6 - труба (не в масштабе);

7 - изоляция.

1.2. Эффективность коллектора. Эффективность коллектора определяется его оптическим и тепло­вым КПД. Оптический КПД η_о показывает, какая часть солнечной радиации, достигшая поверхности остек­ления коллектора, оказывается поглощенной абсор­бирующей черной поверхностью, и учитывает поте­ри энергии, связанные с отличием от единицы коэф­фициента пропускания стекла и коэффициента по­глощения абсорбирующей поверхности. Для кол­лектора с однослойным остеклением

где (τα)_n - произведение коэффициента пропус­кания стекла τ на коэффициент поглощения α аб­сорбирующий излучение поверхности при нор­мальном падении солнечных лучей.

В том случае если угол падения лучей отлича­ется от прямого, вводится поправочный коэффици­ент k, учитывающий увеличение потерь на отраже­ние от стекла и поверхности, поглощающей солнеч­ную радиацию. На рис. 3 приведены графики k = f(1/ cos 0 - 1) для коллекторов с однослойным и двухслойным остеклением. Оптический КПД с учетом угла падения лучей, отличного от прямого,

Кроме этих потерь в коллекторе любой конст­рукции присутствуют потери теплоты в окружающую среду Q_пот, которые учитываются тепловым КПД, который равен отношению количества полез­ной теплоты,

Рис. 3. Поправочный коэффициент, учитываю­щий отражение солнечных лучей от поверхности стекла и черной абсорбирующей поверхности.

отведенной от коллектора за оп­ределенное время, к количеству энергии излуче­ния, поступающей к нему от Солнца за то же время:

где Ω площадь апертуры коллектора; І — плот­ность потока солнечной радиации.

Оптический и тепловой КПД коллектора связа­ны отношением

Тепловые потери характеризуются пол­ным коэффициентом потерь

U

где Га — температура черной поверхности, абсор­бирующей солнечную радиацию; То — температу­ра окружающей среды.

Величина U с достаточной для расчетов точно­стью может считаться постоянной. В этом случае подстановка QnaT из формулы (9.3.) в (9.2) приво­дит к уравнению

Щтш-т0)
л-п0 — •

Тепловой КПД коллектора может быть записан также через среднюю температуру протекающего через него теплоносителя:

Т — Т

£) (9.4)

где Tt = (Гвх + Гвых) /2 — средняя температура теп­лоносителя; F' — параметр, обычно называемый «эффективностью коллектора» и характеризую­щий эффективность переноса теплоты от поверхности.

сти, поглощающей солнечную радиацию, к тепло­носителю; он зависит от конструкции коллектора и почти не зависит от других факторов; типичные значения параметра F': 0,8—0,9 — для плоских воздушных коллекторов; 0,9—0,95 — для плоских жидкостных коллекторов; 0,95—1,0 — для вакуум­ных коллекторов.

В ряде случаев удобнее (в практическом отно­шении) выразить тепловой КПД коллектора через температуру теплоносителя на входе Хвх:

5^) <9-5>

В этом случае замена Tt в формуле (9.4) на Твх учи­тывается коэффициентом FR, который называется коэффициентом отвода теплоты. В общем виде формула для теплового КПД коллектора может быть записана в виде

где F =

1,если Г= Га; F', если Т = Tt\

На графике г\ =/ [(Г- То)/1] прямая, соответст­вующая уравнению (9.6), при Г= То отсекает на оси ординат отрезок F<n0=sF(Ta)wH имеет наклон, со­ответствующий FU (рис. 9.9).

Величины F(xa)w и FU используются при оп­ределении характеристик систем солнечного теп­лоснабжения и в принципе могут быть рассчитаны теоретически. Однако чаще всего эти величины оп­ределяют на основании стандартных испытаний коллекторов и построения зависимостей, аналогич­ных приведенной на рис. 9.9.

При некотором значении температуры Г тепло­вой КПД коллектора оказывается равным нулю. Эта температура является предельно достижимой для данного типа коллектора.

Полезное количество теплоты, отводимой от коллектора, рассчитывается по формуле

Плоские солнечные коллекторы используют обычно в системах, где уровень нагрева теплоноси­теля не превышает 80 °С.

1.3. Вакуумные коллекторы. В том случае, когда необ­ходим нагрев до более высоких температур, исполь­зуют вакуумные коллекторы. В вакуумном коллек­торе объем, в котором находится черная поверх­ность, поглощающая солнечную радиацию, отделен от окружающей среды вакуумированным простран­ством, что позволяет значительно уменьшить поте­ри теплоты в окружающую среду за счет теплопро­водности и конвекции. Потери на излучение в зна­чительной степени подавляются путем применения селективного покрытия. Так как полный коэффици­ент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноси­тель в нем можно нагреть до более высоких темпе­ратур (120—150 °С), чем в плоском коллекторе. На рис. 9.10 показаны примеры конструктивного вы­полнения вакуумных коллекторов.

Рис. 9.10. Типы вакуумных коллекторов.

/ — трубка с теплоносителем; 2 — пластина с се­лективным покрытием, поглощающая солнечное из­лучение; 3 — тепловая труба; 4 — теплосъемный элемент; 5 — стеклянная трубка с селективным по­крытием; б — внутренняя трубка для подачи тепло­носителя; 7 — наружный стеклянный баллон; 8 — вакуум