2015-07-04
477
Використання сонячної енергії достатньо різноманітне, але найбільш очевидна область використання сонячної енергії – підігрівання повітря і води. У районах з холодним кліматом необхідне опалювання житлових будівель і гаряче водопостачання. Промисловість також вимагає велику кількість гарячої води. У Австралії, наприклад, на підігрівання рідин до температури 100° З витрачається майже 20% енергій. У зв'язку з цим в багатьох країнах, особливо в Австралії, Ізраїлі, США, Японії, Іспанії, активно розширюється виробництво сонячних нагрівальних систем.
Основним елементом сонячної нагрівальної системи є приймач - сонячний колектор (СК), в якому відбувається поглинання сонячного випромінювання і передача енергії рідини, який являє собою плоску коробчату конструкцію (рисунок 1), теплоізольовану з тильної сторони і засклену з лицьової (краще мати подвійне засклення). Сонячний колектор – пристрій, який служить для нагріву води потоком сонячної енергії.
Більшість плоских сонячних колекторів складається з чотирьох основних елементів (рисунок 1):
— поглинальної панелі з каналами для теплоносія, на поверхню якої нанесено покриття, що забезпечує поглинання не менше 90% падаючого сонячного випромінювання;
— прозорої ізоляції, яка складається, як правило, з одного або двох шарів засклення;
— теплової ізоляції, яка зменшує втрати теплоти в навколишнє середовище через днище колектора і його бокові грані;
— корпусу, де розташовані поглинальна панель і теплова ізоляція і який зверху закритий прозорою ізоляцією.
Сонячні колектори знайшли широке вживання в теплопостачанні в багатьох країнах. Робота СК заснована на парниковому ефекті, сонячні промені видимої частини спектру (короткі хвилі) вільно проходять скрізь скло і нагрівають теплоносій в середині СК, а інфрачервоне випромінювання нагрітого тіла (довгі хвилі) скло назад уже не випускає, тобто СК являє, собою "пастку" для сонячних "зайчиків".
1 — корпус; 2 — прозора ізоляція; 3 — канали для теплоносія; 4 — поглинальна панель; 5 — теплова ізоляція.
Рисунок 1 – Плоский сонячний колектор
Найпростіші СК містять весь об'єм рідини, яку необхідно нагрівати. Приймачі складнішої конструкції нагрівають за певний час лише невелику кількість рідини, яка, як правило, потім накопичується в окремому резервуарі (баку-акумуляторі).
Теплоенергетична ефективність СК визначається наступними факторами:
– високою пропускною здатністю світлопроникного елементу для короткохвильового потоку сонячної радіації і низькою здатністю власного інфрачервоного випромінювання абсорбера;
– високою поглинальною здатністю абсорбера для короткохвильового сонячного випромінювання.
У колекторі сонячне випромінювання перетворюється в теплоту, яка відводиться теплоносієм (вода, антифриз, повітря та ін.), що протікає в каналах поглинальної панелі. Прозора ізоляція зменшує конвекційні і променеві втрати теплоти від поглинальної панелі в атмосферу, внаслідок чого зростає теплопродуктивність колектора. Як відомо, більшість прозорих середовищ, у тому числі скло, пропускає промені селективно, тобто пропускна здатність залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання. Звичайне віконне скло залежно від вмісту в ньому заліза пропускає до 85-87% сонячного випромінювання, але практично не прозоре до власного теплового випромінювання панелі. Перехід від одинарного засклення до подвійного приводить до зменшення теплових втрат через прозору ізоляцію, але одночасно зменшується і щільність потоку випромінювання, яке падає на поглинальну панель.
Типові конструкції поглинальних панелей колекторів наведені на рисунку 2.
а — стандартний панельний опалювальний радіатор; б — панель з двох оцинкованих стальних листів — гофрованого і плоского; в — прокатно-зварна алюмінієва панель; г — регістр з труб з прикріпленим до них листом; д — способи з 'єднання металевого листа і труби; є — регістр з труб з розпираючими металевими пластинами; ж — регістр з труб з поперечними ребрами; з — регістр труб з подовжніми ребрами.
Рисунок 2 – Конструкція поглинальних панелей колекторів (поперечний переріз)
Можливість використання сонячної енергії на землі залежить від географічної широти φ, пори року та сонячного сіяння [1,2].
Річне надходження сумарної сонячної радіації в реальних умовах хмарності становить 1050-1400 кВт∙год./м2 при загальному збільшенні від φ =52° до φ =43° північних широт, в яких розташована Україна [2]. За розрахунками нанесені на карту України дані по розподілу її території за інтенсивністю надходження сонячної інсоляції [4] (для прикладу дивись додаток Б для січня і додаток В для липня місяця) [2].
Оптимальні куги нахилу СК визначаються періодом роботи. Звичайно при цілорічному використанні плоского СК його розташовують під кутом 
до горизонту, рівним географічній широті даної місцевості φ ( = φ).
Якщо СК використовують тільки влітку, то кут його установки до горизонту зменшують на 15° ( = φ – 15°), якщо СК використовують тільки зимою то кут установки збільшують на 15° ( = φ + 15°) [1, 3].
При проектуванні систем перетворення сонячної енергії необхідно знати не тільки повну радіацію 
, але і її складові: пряму 
, і дифузну (розсіяну) радіацію 
, (1)
де , і - середньомісячна добова радіація на горизонтальну поверхню Землі: повна, пряма і дифузна відповідно.
Повну радіацію, отриману горизонтальною поверхнею, називають ще інсоляцією.
Середньомісячне добове значення повної радіації на похилу поверхню СК для кожного місяця знаходять за виразом [1,3]
, (2)
де , і - пряма, дифузна і повна радіація на горизонтальну поверхню, (кДж/м2∙добу);
- коефіцієнт нахилу СК, значення якого залежить від географічної широти φ і кута нахилу поверхні СК до горизонту, значення якого розраховується або береться із таблиці [3];
- кутовий коефіцієнти дифузної радіації, який визначають за формулою
; (3)
- кутовий коефіцієнт прямої і дифузної радіації, який визначають за формулою
, (4)
де - кут нахилу СК до горизонту;
- коефіцієнт відбиття поверхні Землі, який залежить від виду покриття [3] і називається альбедо [1].
Коефіцієнт нахилу залежить від географічної широти 
, кута нахилу , нахилу Сонця і кутового сонячного часу для середини місяця. Його значення можна взяти із таблиці 1 [3].
Таблиця 1 – Коефіцієнти відбиття поверхні Землі
| Характер покриття поверхні |
|
| лід та сніг | 0,7 |
| пісок | 0,4 |
| трава | 0,3 |
| бетон | 0,2 |
| асфальт, темна поверхня землі і води | 0,1 |
Підставивши (3) і (4) в (2) з урахуванням (1) отримаємо вираз для середньомісячного добового значення повної радіації на похилу поверхню СК
, (5)
де - значення коефіцієнту нахилу СК із табл. таблицю 2 [3].
Для знаходження складових і повної радіації необхідно знайти коефіцієнт чистоти небесної півсфери за формулою [3]
, (6)
де - повна радіація на горизонтальну поверхню Землі (сонячні карти або рисунок 3);
- позаатмосферна добова інсоляція для середніх чисел кожного місяця, визначається із рисунка 4 [3].
Рисунок 3 – Повна добова радіація поверхні для середніх чисел кожного місяця для південної широти а) і північної широти б)
Потім із рисунка 5 [3] знаходять частку
,
звідки знаходять дифузну радіацію , а потім і пряму радіацію
(7)
а) північна широта, б) південна широта.
Рисунок 4 – Позаатмосферна добова інсоляція поверхні для середніх чисел кожного місяця
Рисунок 5 – Залежність 
Повну середньомісячну добову радіацію на похилу поверхню СК для кожного місяця знаходять, підставивши знайдені значення величин у вираз (5).
Потік променистої енергії Qпов, Вт, поверхнею приймача, що поглинається, складає
Q пов = τпов α A I (8)
де τпов – коефіцієнт пропускання сонячного випромінювання прозорим покриттям, приймається рівним 0,9 для одинарного скляного покриття, 0,8 – для подвійного скляного покриття, 0,81 – для селективного скла;
α – коефіцієнт поглинання приймальною поверхнею колектора сонячного випромінювання, приймається рівним 0,9 для одинарного скляного покриття, 0,9 – для подвійного скляного покриття, 0,81 – для селективного скла;
А – площа освітлюваної поверхні колектора, м2;
I – опроміненість поверхні сонячного колектора, Вт/м2.
Таблиця 2 – Коефіцієнти нахилу сонячного колектору
| Місяць року | Широта  =40°
| Широта =50°
| ||
| =40°
| =60°
| =50°
| =70°
| |
| Січень | 2,28 | 2,56 | 3,56 | 3,94 |
| Лютий | 1,80 | 1,90 | 2,49 | 2,62 |
| Березень | 1,36 | 1,32 | 1,65 | 1,62 |
| Квітень | 1,05 | 0,90 | 1,16 | 1,00 |
| Травень | 0,88 | 0,66 | 0,90 | 0,64 |
| Червень | 0,79 | 0,60 | 0,80 | 0,56 |
| Липень | 0,82 | 0,64 | 0,84 | 0,62 |
| Серпень | 0,96 | 0,78 | 1,02 | 0,83 |
| Вересень | 1,24 | 1,12 | 1,44 | 1,32 |
| Жовтень | 1,62 | 1,64 | 2,10 | 2,14 |
| Листопад | 2,08 | 2,24 | 3,16 | 3,32 |
| Грудень | 2,48 | 2,80 | 4,04 | 4,52 |
В процесі поглинання енергії, температура поверхні приймача підвищується і стає істотно вищим за температуру довколишнього повітря. Це наводить до виникнення зворотного теплового потоку в довкілля, який можна визначити
Q пот = A(Тп – То.с.)/ Rп (9)
де Тп – температура приймальної поверхні колектора, К;
То.с . – температура довколишнього повітря, К;
Rп – термічний опір приймальній поверхні колектора, для типових колекторів можна прийняти рівним 0,13 м2 К/Вт для одинарного скла, 0,22 м2 К/Вт – для двошарового скла, 0,4 м2 К/Вт – для селективного скла.
1 – корпус колектора; 2 – вхід води в колектор; 3 – трубки; 4 – вихід води з колектору.
Рисунок 6 – Схема для визначення теплового балансу сонячного колектору
Рівняння сонячного колектора тоді можна представити
Qск = A [τпов α I – (Тп – То.с.)/ Rп].
Проте не вся енергія, що отримується колектором, передається воді, а лише її частина, що характеризується коефіцієнтом переходу kf сонячної енергії, що показує долю теплового потоку Qск, що передається рідині, приймається рівним 0,85
Qж = kf Qск.
Коефіцієнт теплопередачі к залежить від швидкості вітру, кількості прозорих покриттів, відстані між ними, а також між внутрішнім склом і панеллю, від умов у повітряному проміжку колектора, ступеню чорноти поглинальної панелі в довгохвильовій частині спектра. При відсутності прозорої ізоляції швидкість вітру є визначальним фактором втрат. Вакуумування зазору приводить до різкого скорочення конвекційних втрат, а нанесення на поверхню панелей покриттів, які мають низьку ступінь чорноти в довгохвильовій частині спектру, суттєво зменшує втрати випромінюванням.
Кількість тепла, потрібного для нагріву рідини на певну різницю температур Qж, Вт можна записати у вигляді
Qж = Lρc(Тк – Тн), (10)
де Тк – кінцева температура води, К;
Тн – початкова температура води, К;
ρ – щільність води, рівна 1000 кг/м3;
с – теплоємність води, рівна 4200 Дж/кг К;
L – об'ємна витрата води, м3/с.
Рівняння теплового балансу колектора можна записати у вигляді
k f A(τпов αI − (Tп − Tо.с. ) / Rп) = Lρc(Tк − Tн). (11)
З рівняння балансу сонячного колектора визначаються всі основні характеристики, наприклад площа СК
A = Lρc(Tк − Tн)/(k f (τпов αI − (Tп − Tо.с. ) / Rп)) (12)
У системах гарячого водопостачання теплоносій у колекторах повинен бути нагрітий до 50°С. Цей температурний рівень достатньо ефективно забезпечується застосуванням на теплосприймаючій поверхні панелі чорної фарби. Для опалення необхідна температура від 60 до 100°С. При температурах, вищих 60°С, у теплових втратах колектора помітну частку складає випромінювання з його теплосприймаючої поверхні. Суттєве зменшення цих втрат досягається при застосуванні поглинаючих покриттів теплосприймаючої поверхні панелі, які мають селективні оптичні властивості щодо поглинальної здатності відносно сонячного випромінювання 
0,9 і ступінь чорноти в діапазоні довжин хвиль власного теплового випромінювання 
0,2.
Сьогодні отримано різновиди типів селективних покриттів. За допомогою методу електрохімічного осадження металів отримані покриття «чорний нікель» і «чорний хром». Їх оптичні характеристики наведені в таблиці 3.
Таблиця 3 – Оптичні характеристики покриття «чорний нікель»
| Матеріал підкладки | 
| 
|
| Мідь | 0,94-0,96 | 0,1-0,12 |
| Латунь | 0,94-0,95 | 0,08-0,1 |
| Нержавіюча сталь | 0,93-0,95 | 0,12-0,15 |
| Низьколегована сталь | 0,93-0,95 | 0,15-0,19 |
| Алюміній | 0,93-0,95 | 0,12-0,14 |
| Металізоване скло | 0,9-0,92 | 0,11-0,13 |
Покриття «чорний хром» і «чорний нікель» мають однаково високі оптичні характеристики. З технологічної точки зору «чорний нікель» є більш перспективним.
Коефіцієнт ефективності закордонних колекторів лежить у діапазоні 0,93-0,99, що свідчить про високі теплотехнічні якості поглинальних панелей. Середня площа поверхні колекторів США складає 15-25 кг/м2, а в Європі — 20-30 кг/м2, що пов'язане з більшим використанням сталі. У закордонних колекторах загальний обсяг каналів для теплоносія невеликий, що забезпечує низьку теплову інерцію колектора і мінімальні втрати теплоти в нічні години. Теплова ізоляція застосовується в 40-50% модифікацій з пінополіізоціанурату і у 30% — зі скловати в гідроізоляційній оболонці.
Застосування високоякісних матеріалів забезпечує закордонним колекторам високі теплотехнічні характеристики. Українські колектори розроблені в останні роки за своїми теплотехнічними, середніми поверхневими щільностями (кг/м2), габаритними площами не поступаються закордонним.
Конструктивне вдосконалення плоских СК проводиться у двох напрямках:
– пошуку нових неметалевих конструктивних матеріалів;
– удосконалення оптико-теплових характеристик найбільш відповідального вузла — абсорберів та світлопроникного елементу.
Як теплоносій у системах сонячного теплопостачання використовується вода.
Вода як теплоносій має хороші теплофізичні якості і недефіцитна, однак її суттєвим недоліком є відносно висока температура замерзання. Це утруднює експлуатацію систем при низьких температурах. Тому при експлуатації установок сонячного теплопостачання взимку рекомендується використовувати 60% розчин етиленгліколю або водно-сольові розчини з рецептурою (за масою %):
Калій вуглекислий, 1,5- водний — 51,6
Натрій фосфорнокислий, 12-водний — 4,3
Натрій кремнекислий, 9-водний — 2,6
Натрій тетраборнокислий, 10-водний — 2,0
Флуоресцеїн — 0,01
Вода до 100.
Фосфат, силікат та тетраборат натрію застосовуються для захисту матеріалів колектора від корозії. Для індикації витоків теплоносія введений флуоресцеїн. Ці розчини дають високу ефективність при використанні в алюмінієвих колекторах. Для стальних колекторів можна рекомендувати більш прості евтетики: 29,9%-ий водний розчин СаСl2 або ТОСОЛ.
