Пасивні сонячні системи теплопостачання. Сучасні системи сонячного теплопостачання Види опалення з використанням альтернативних джерел

4.1. Класифікація та основні елементи геліосистем

Системами сонячного теплопостачання називаються системи, що використовують як джерело теплової енергії сонячну радіацію. Їх характерною відмінністю від інших систем низькотемпературного опалення є застосування спеціального елемента – геліоприймача, призначеного для уловлювання сонячної радіації та перетворення її на теплову енергію.

За способом використання сонячної радіації системи сонячного низькотемпературного опалення поділяють на пасивні та активні.

Пасивними називаються системи сонячного опалення, в яких як елемент, що сприймає сонячну радіацію і перетворює її в теплоту, служать сама будівля або її окремі огородження (будівля-колектор, стіна-колектор, покрівля-колектор і т. п. (рис. 4.1.1) )).

Рис. 4.1.1 Пасивна низькотемпературна система сонячного опалення “стіна-колектор”: 1 – сонячне проміння; 2 – променепрозорий екран; 3 – повітряна заслінка; 4 – нагріте повітря; 5 – охолоджене повітря із приміщення; 6 – власне довгохвильове теплове випромінювання масиву стіни; 7 - чорна променевосприймаюча поверхня стіни; 8 – жалюзі.

Активними називаються системи сонячного низькотемпературного опалення, в яких геліоприймач є самостійним окремим пристроєм, що не відноситься до будівлі. Активні геліосистеми можуть бути поділені:

за призначенням (системи гарячого водопостачання, опалення, комбіновані системи для теплохолодопостачання);

по виду використовуваного теплоносія (рідинні – вода, антифриз та повітряні);

за тривалістю роботи (цілорічні, сезонні);

з технічного вирішення схем (одно-, дво-, багатоконтурні).

Вода є теплоємним та широкодоступним теплоносієм. Однак при температурах нижче 0°С до неї необхідно додавати незамерзаючі рідини. Крім того, слід враховувати, що вода, насичена киснем, викликає корозію трубопроводів та апаратів. Але витрата металу у водяних геліосистемах значно нижча, що великою мірою сприяє ширшому їх застосуванню.

Сезонні геліосистеми гарячого водопостачання зазвичай одноконтурні та функціонують у літні та перехідні місяці, у періоди з позитивною температурою зовнішнього повітря. Вони можуть мати додаткове джерело теплоти або обходитися без нього в залежності від призначення об'єкта, що обслуговується, і умов експлуатації.

Геліосистеми опалення будівель зазвичай двоконтурні або найчастіше багатоконтурні, причому для різних контурів можуть бути застосовані різні теплоносії (наприклад, у геліоконтурі – водні розчини рідин, що незамерзають, у проміжних контурах – вода, а в контурі споживача – повітря).

Комбіновані геліосистеми цілорічної дії для цілей теплохолодопостачання будівель багатоконтурні та включають додаткове джерело теплоти у вигляді традиційного теплогенератора, що працює на органічному паливі, або трансформатора теплоти.

Принципова схема системи сонячного теплопостачання наведено на рис.4.1.2. Вона включає три контури циркуляції:

перший контур, що складається із сонячних колекторів 1, циркуляційного насоса 8 та рідинного теплообмінника 3;

другий контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 та теплообмінника 3;

третій контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 водоповітряного теплообмінника (калорифера) 5.

Рис. 4.1.2. Принципова схема системи сонячного теплопостачання: 1 – сонячний колектор; 2 – бак-акумулятор; 3 – теплообмінник; 4 – будівля; 5 – калорифер; 6 – дублер системи опалення; 7 – дублер системи гарячого водопостачання; 8 – циркуляційний насос; 9 – вентилятор.

Для опалення вода з бака-акумулятора 2 подається насосом третього контуру 8 калорифер 5, через який за допомогою вентилятора 9 пропускається повітря і, нагрівшись, надходить в будинок 4. У разі відсутності сонячної радіації або нестачі теплової енергії, що виробляється сонячними колекторами, в роботу включається дублер 6.

Вибір та компонування елементів системи сонячного теплопостачання у кожному конкретному випадку визначаються кліматичними факторами, призначенням об'єкта, режимом теплоспоживання, економічними показниками.

4.2. Концентруючі геліоприймачі

Концентруючі геліоприймачі є сферичними або параболічними дзеркалами (рис. 4.2.1), виконані з полірованого металу, у фокус яких поміщають теплосприймаючий елемент (сонячний котел), через який циркулює теплоносій. Як теплоносій використовують воду або незамерзаючі рідини. При використанні в якості теплоносія води в нічний годинник і в холодний період систему обов'язково випорожнюють для запобігання її замерзанню.

Для забезпечення високої ефективності процесу уловлювання та перетворення сонячної радіації концентруючий геліоприймач повинен бути постійно спрямований суворо на Сонце. З цією метою геліоприймач забезпечують системою стеження, що включає датчик напрямку на Сонце, електронний блок перетворення сигналів, електродвигун з редуктором для повороту конструкції геліоприймача у двох площинах.

Рис. 4.2.1. Концентруючі геліоприймачі: а – параболічний концентратор; б – параболоциліндричний концентратор; 1 – сонячні промені; 2 – теплосприймаючий елемент (сонячний колектор); 3 – дзеркало; 4 – механізм приводу системи стеження; 5 – трубопроводи, що підводять та відводять теплоносій.

Перевагою систем з концентруючими геліоприймачами є здатність вироблення теплоти щодо високої температури (до 100 °С) і навіть пари. До недоліків слід зарахувати високу вартість конструкції; необхідність постійного очищення поверхонь, що відбивають, від пилу; роботу тільки у світлий час доби, а отже потреба в акумуляторах великого об'єму; Великі енерговитрати на привід системи стеження за перебігом Сонця, порівняні з енергією, що виробляється. Ці недоліки стримують широке застосування активних низькотемпературних систем сонячного опалення з геліоприймачами, що концентрують. Останнім часом найчастіше для сонячних низькотемпературних систем опалення застосовують пласкі геліоприймачі.

4.3. Плоскі сонячні колектори

Плоский сонячний колектор – пристрій з поглинаючою панеллю плоскої конфігурації та плоскою прозорою ізоляцією для поглинання енергії сонячного випромінюваннята перетворення її на теплову.

Плоскі сонячні колектори (рис. 4.3.1) складаються зі скляного або пластикового покриття(одинарного, подвійного, потрійного), теплосприймаючої панелі, пофарбованої з боку, зверненої до сонця, у чорний колір, ізоляції на звороті та корпусу (металевого, пластикового, скляного, дерев'яного).

Рис. 4.3.1. Плоский сонячний колектор: 1 – сонячне проміння; 2 – скління; 3 – корпус; 4 – теплосприймаюча поверхня; 5 – теплоізоляція; 6 – ущільнювач; 7 – власне довгохвильове випромінювання теплосприймаючої пластини.

Під дією сонячної радіації теплосприймаючі панелі розігріваються до температур 70-80 °С, що перевищують температуру навколишнього середовища, що веде до зростання конвективної тепловіддачі панелі у навколишнє середовище та її власного випромінювання на небозведення. Для досягнення більш високих температуртеплоносія поверхню пластини покривають спектрально-селективними шарами, що активно поглинають короткохвильове випромінювання сонця і знижують її власне теплове випромінювання в довгохвильовій частині спектра. Такі конструкції на основі "чорного нікелю", "чорного хрому", окису міді на алюмінії, окису міді на міді та інші дорогі (їх вартість часто можна порівняти з вартістю самої теплосприймаючої панелі). Іншим способом покращення характеристик плоских колекторів є створення вакууму між теплосприймаючою панеллю та прозорою ізоляцією для зменшення теплових втрат (сонячні колектори четвертого покоління).

Досвід експлуатації сонячних установок на основі сонячних колекторів виявив низку істотних недоліків подібних систем. Насамперед це висока вартість колекторів. Збільшення ефективності їхньої роботи за рахунок селективних покриттів, підвищення прозорості скління, вакуумування, а також пристрої системи охолодження виявляються економічно нерентабельними. Істотним недоліком є необхідність частого очищення скла від пилу, що практично виключає застосування колектора у промислових районах. При тривалій експлуатації сонячних колекторів, особливо в зимових умовах, спостерігається частий вихід їх з ладу через нерівномірність розширення освітлених та затемнених ділянок скла за рахунок порушення цілісності скління. Відзначається також великий відсоток виходу з ладу колекторів під час транспортування та монтажу. Значним недоліком роботи систем із колекторами є також нерівномірність завантаження протягом року та доби. Досвід експлуатації колекторів в умовах Європи та європейської частини Росії за високої частки дифузної радіації (до 50%) показав неможливість створення цілорічної автономної системи гарячого водопостачання та опалення. Усі геліосистеми із сонячними колекторами в середніх широтах вимагають пристрої великих за обсягом баків-акумуляторів та включення до системи додаткового джерела енергії, що знижує економічний ефект від їх застосування. У зв'язку з цим найбільш доцільним є їх використання в районах з високою середньою інтенсивністю сонячної радіації (не нижче 300 Вт/м 2 ).

Потенційні можливості використання геліоенергетики в Україні

На території України енергія сонячної радіації за один середньорічний світловий день становить у середньому 4 кВт∙годину на 1м2 (у літні дні – до 6–6.5 кВт∙год.) тобто близько 1,5 тисячі кВт∙годину за рік на кожен квадратний метр. Це приблизно стільки ж, скільки в середній Європі, де використання сонячної енергії має найширший характер.

Крім сприятливих кліматичних умов в Україні є висококваліфіковані наукові кадри у сфері використання сонячної енергії. Після повернення проф. Бойко Б.Т. з ЮНЕСКО, де він очолював міжнародну програму ЮНЕСКО з використання сонячної енергії (1973-1979р.), він розпочав інтенсивну наукову та організаційну діяльність у Харківському політехнічному інституті (нині Національний Технічний Університет) - ХПІ) щодо розвитку нового наукового та навчального напряму матеріалознавства для геліоенергетики. Вже у 1983 році відповідно до наказу Мінвузу СРСР N 885 від 13.07.83 р. у Харківському Політехнічному Інституті вперше у практиці вищої школи СРСР розпочато підготовку інженерів-фізиків з профільуванням у галузі матеріалознавства для геліоенергетики в рамках спеціальності “Фізика металів”. Це заклало основи створення у 1988 році випуску кафедри “Фізичне матеріалознавство для електроніки та геліоенергетики” (ФМЕГ). Кафедра ФМЕГ у співдружності з Науково-дослідним інститутом технології приладобудування (Харків) у рамках космічної програми України брала участь у створенні кремнієвих сонячних батарей з к.п.д. 13 - 14% для українських космічних апаратів

Починаючи з 1994 року, кафедра ФМЕГ за підтримки Штутгардського Університету та Європейського Співтовариства, а також Цюріхського Технічного Університету та Швейцарського Національного Наукового Товариства приймає активна участьу наукових дослідженнях із розробки плівкових ФЕП.

Сонячне теплопостачання – спосіб опалення житлового будинку, який з кожним днем стає все більш популярним у багатьох, переважно розвинених, державах світу. Найбільшими успіхами в галузі сонячної теплової енергетики сьогодні можуть похвалитися в країнах західної та центральної Європи. На території Євросоюзу протягом останнього десятиліття спостерігається щорічне зростання галузі поновлюваної енергетики на 10–12%. Такий рівень розвитку – це дуже суттєвий показник.

сонячний колектор

Одна з найбільш очевидних сфер застосування сонячної енергетики – це її використання з метою підігріву води та повітря (як теплоносіїв). У кліматичних областях, де переважає холодна погода, для комфортного проживання людей обов'язковим є розрахунок та організація систем опалення кожного житлового будинку. У них має бути гаряче водопостачання для різних потреб, до того ж будинку необхідно опалювати. Звісно, найкращим варіантомтут буде застосування схеми, де працюють автоматизовані системи теплопостачання.

Великих обсягів щоденного надходження гарячої води у процесі виробництва потребують промислові підприємства. Як приклад можна навести Австралію, де на підігрів рідкого теплоносія до температури, що не перевищує 100 o C, витрачається практично 20 відсотків всієї енергії, що витрачається. З цієї причини в частині розвинених країн заходу, а більшою мірою в Ізраїлі, Північній Америці, Японії та, звичайно ж, в Австралії, дуже швидко відбувається розширення виробництва сонячних систем опалення.

У найближчому майбутньому розвиток енергетики, безперечно, буде спрямований на користь використання сонячного випромінювання. Щільність сонячної радіації на земній поверхні становить у середньому 250 Вт на квадратний метр. І це при тому, що для забезпечення господарських потреб людини в найменш індустріальних районах достатньо двох Ват на квадратний метр.

Вигідна відмінність сонячної енергії від інших галузей енергетики, що використовують процеси спалювання викопного палива, це екологічність енергії. Робота сонячного обладнання не спричиняє виділення шкідливих викидів в атмосферу.

Вибір схеми застосування обладнання, пасивні та активні системи

Існує дві схеми використання сонячного випромінювання як система опалення для будинку. Це активні та пасивні системи. Пасивні системи опалення на сонячній радіації - ті, в яких елементом, що безпосередньо абсорбує сонячну радіацію і утворює з неї теплоту, служить сама конструкція будинку або його окремі частини. Цими елементами можуть бути паркан, покрівля, окремі частини будівлі, побудовані на основі певної схеми. У пасивних системах не використовуються механічні частини, що рухаються.

Активні системи працюють на основі протилежної схеми опалення будинку, у яких активно використовуються механічні пристрої(Насоси, двигуни, при їх використанні також роблять розрахунок необхідної потужності).

Найбільш простими за своєю конструкцією та менш витратними у фінансовому плані при монтажі схеми є системи пасивної дії. Такі схеми опалення не потребують встановлення додаткових пристроїв для абсорбції та подальшого розподілу сонячного випромінювання в системі опалення будинку. Робота таких систем заснована на принципі прямого обігріву житлового приміщення прямо через стіни, що пропускають світло, розташовані на південній стороні. Додаткову функцію обігріву виконують зовнішні поверхні елементів огорожі будинку, які обладнуються шаром прозорих екранів.

Для запуску процесу перетворення сонячної радіації на теплову енергію застосовують систему конструкцій, засновану на використанні геліоприймачів з прозорою поверхнею, де основну функцію грає «парниковий ефект», використовуються можливості скла утримувати теплове випромінювання, завдяки чому і підвищують температуру всередині приміщення.

Варто відзначити, що застосування лише одного з видів систем може бути не зовсім виправданим. Найчастіше ретельний розрахунок показує, що досягти значного зниження втрат тепла та зменшення потреб будівлі в енергії можна шляхом застосування інтегрованих систем. Загальна робота і активної та пасивної системи шляхом поєднання позитивних якостей дасть максимальний ефект.

Зазвичай розрахунок ефективності показує, що пасивне використання випромінювання сонця забезпечить потреби вашого будинку в опаленні приблизно на 14-16 відсотків. Така система буде важливою складовою процесу одержання тепла.

Однак, незважаючи на певні позитивні якості пасивних систем, основні можливості для повного забезпечення потреб будівлі в теплі все ж таки потрібне застосування активного опалювального обладнання. Системи, функцією яких є безпосередньо поглинання, акумуляція та розподіл сонячної радіації.

Планування та розрахунок

Здійснити розрахунок можливості монтажу активних опалювальних систем, що використовують сонячну енергію (кристалічні сонячні фотоелементи, сонячні колектори), бажано на стадії проектування будівлі. Але все ж таки цей момент не носить обов'язкового характеру, установка такої системи можлива і на вже існуюче завдання незалежно від року його побудови (основа для успіху – правильний розрахунок усієї схеми).

Монтаж обладнання здійснюють на південний бік будинку. Таке розташування створює умови для максимального поглинання сонячної радіації, що надходить, взимку. Фотоелементи, що перетворюють енергію сонця та встановлені на нерухому конструкцію, найбільш ефективні при їх монтажі щодо поверхні землі під кутом, що дорівнює географічній локації опалювальної будівлі. Кут нахилу даху, градус повороту будинку на південь – це значні моменти, які обов'язково треба враховувати, розраховуючи всю схему опалення.

Сонячні фотоелементи та колектори на сонячному випромінюванні необхідно встановлювати максимально близько до місця енергоспоживання. Пам'ятайте, що чим ближче ви побудуєте ванну та кухню, тим менше будуть втрати тепла (у такому варіанті можна обійтися і одним сонячним колектором, який обігріватиме обидва приміщення). Основним критерієм оцінки при доборі необхідного вам обладнання є коефіцієнт корисної дії.

Опалювальні сонячні системи активної дії діляться на наступні групи за такими критеріями:

Застосування дублюючого контуру;
Сезонність роботи (протягом усього року або у певний сезон);
Функціонального призначення – опалювальні, постачання гарячої води та комбіновані системи;
Теплоносій, що застосовується - рідина або повітря;
Застосовується технічне вирішення кількості контурів (1, 2 або більше).

Загальні економічні дані слугуватимуть основним чинником вибору на користь одного з типів обладнання. Правильно визначитися допоможе грамотний тепловий розрахунок всієї системи. Розрахунок необхідно виконувати, враховуючи показники кожного конкретного приміщення, де намічено організацію сонячного опалення та (або) гарячого водопостачання. Варто враховувати місце розташування будови, кліматичні природні умови, розмір вартості витісненого енергетичного ресурсу. Правильний розрахунок та вдалий вибір схеми організації теплопостачання – запорука економічної доцільності застосування обладнання сонячної енергетики.

Сонячна система теплопостачання

Найпоширенішою зі схем опалення є установка сонячних колекторів, в яких передбачена функція накопичення абсорбованої енергії в спеціальній ємності - акумуляторі.

На сьогоднішній день найбільшого поширення набули двоконтурні схеми опалення житлових приміщень, в яких встановлено примусова системациркуляції теплоносія у колекторі. Принцип його роботи є наступним. Подача гарячої води здійснюється з верхньої точки накопичувального бака, процес відбувається автоматично згідно із законами фізики. Холодна проточна воданапором подається в нижню частинубака, ця вода витісняє нагріту, що збирається у верхній частині бака, яка далі надходить в систему гарячого водопостачання будинку для задоволення його господарських потреб і потреб опалення.

Для односімейного будинку зазвичай встановлюють бак накопичувач місткістю від 400 до 800 літрів. Для розігріву теплового носія таких обсягів, залежно від природних умов, потрібно правильно розрахувати площу поверхні сонячного колектора. Також необхідно обґрунтувати використання обладнання економічно.

Стандартний набір обладнання для монтажу опалювальної системи на сонячному випромінюванні:

Безпосередньо сам сонячний колектор;
Кріпильна система (опори, балки, утримувачі);
Накопичувальний бак;
Бак компенсують надмірне розширення теплового носія;
- Пристрій контролю роботи насоса;
Насос (комплект клапанів);
Температурні датчики;
Теплообмінні пристрої (застосовують у схемах з більшими обсягами);
Теплоізольовані труби;
Запобіжна та регулююча арматура;
фітинги.

Система на основі теплопоглинаючих панелей. Такі панелі зазвичай застосовують на етапі нового будівництва. Для їх монтажу необхідно побудувати спеціальну конструкцію, яка називається гарячим дахом. Це означає, що панелі необхідно вмонтувати безпосередньо в конструкцію даху, при цьому використовуючи елементи покрівлі як складові елементи корпусу обладнання. Така установка знизить ваші витрати на створення системи опалення, проте вимагатиме високоякісної роботи з гідроізоляції стиків пристроїв та покрівлі. Такий спосіб встановлення обладнання вимагатиме від вас ретельного проектування та планування всіх етапів роботи. Потрібно вирішити багато завдань з розведення труб, розміщення накопичувального бака, встановлення насоса, регулювання ухилів. Досить багато проблем при монтажі доведеться вирішити у випадку, якщо будівля не вдало повернута на південь.

Загалом проект сонячних систем опалення буде відмінним від інших тією чи іншою мірою. Незмінними залишаться тільки базові принциписистеми. Тому навести точний перелік необхідних деталей для повного монтажу всієї системи неможливо, тому що в процесі встановлення може виникнути необхідність застосування додаткових елементів та матеріалів.

Рідинні опалювальні системи

У системах, що працюють на основі рідкого теплоносія, як акумулюючу речовину застосовують звичайну воду. Абсорбція енергії відбувається у сонячних колекторах плоскої конструкції. Енергія акумулюється в баку накопичувача і витрачається у міру виникнення потреби.

Для передачі енергії від накопичувача в будинок застосовують водо-водяний або водоповітряний теплообмінник. Система гарячого водозабезпечення обладнана додатковим баком, який називають баком для попереднього нагрівання. Вода нагрівається в ньому за рахунок сонячного випромінювання і далі надходить у звичайний водонагрівач.

Повітряна опалювальна система

Така система як носій тепла використовує повітря. Розігрівання теплоносія здійснюється в плоскому сонячному колекторі, а далі нагріте повітря потрапляє в опалювальне приміщення або в спеціальний накопичувальний прилад, де абсорбована енергія накопичується в спеціальній насадці, яка обігрівається гарячим повітрям. Завдяки цій особливості система продовжує постачати будинок теплом навіть уночі, коли сонячне випромінювання не доступне.

Системи з примусовою та природною циркуляцією

Основа роботи систем з природною циркуляцією полягає в самостійний рухтеплоносія. Під впливом температури, що підвищується, він втрачає щільність і тому прагнути в верхню частинупристрої. Виникає різниця у величині тиску і змушує функціонувати устаткування.

Доктор технічних наук Б.І.Казанджан
Московський Енергетичний Інститут
(технічний університет), Росія
Журнал Енергія, №12, 2005.

1. Введення.

Основними причинами, що спонукали людство зайнятися широкомасштабним промисловим освоєнням відновлюваних джерел енергії, є:
-Кліматичні зміни обумовлені збільшенням вмісту СО2 в атмосфері;
-Сильна залежність багатьох розвинених країн, особливо європейських, від імпорту палива;
-обмеженість запасів органічного палива Землі.
Нещодавнє підписання Кіотського протоколу більшістю розвинених країн світу поставило на порядок денний прискорений розвиток технологій, що сприяють скороченню викидів СО2 у навколишнє середовище. Стимулом для розвитку цих технологій є не тільки усвідомлення загрози зміни клімату та пов'язаних із цим економічних втрат, але й той факт, що квоти на викид парникових газів стали товаром, що має цілком реальну вартість. Однією з технологій, що дозволяє знизити витрату органічного палива та зменшити викиди СО2, є виробництво низькопотенційного тепла для систем гарячого водопостачання, опалення, кондиціювання повітря, технологічних та інших потреб за рахунок сонячної енергії. В даний час більше 40% первинної енергії витрачається людством припадає на покриття саме цих потреб, і саме в цьому секторі технології використання сонячної енергії є найбільш зрілими та економічно прийнятними для широкого практичного використання. Для багатьох країн використання сонячних систем теплопостачання – це ще й спосіб зменшити залежність економіки від імпорту копалин. Це завдання особливо актуальне для країн Європейського Союзу, економіка якого вже зараз на 50% залежить від імпорту викопних енергоресурсів, а до 2020 року ця залежність може зрости до 70%, що є загрозою для економічної незалежності цього регіону.

2. Масштаби використання сонячних систем теплопостачання

Про масштаби сучасного використаннясонячної енергії потреб теплопостачання свідчать такі статистичні дані .
Загальна площа сонячних колекторів встановлених у країнах ЄС на кінець 2004 року досягла 13960000 м2, а у світі перевищила 150000000 м2. Щорічний приріст площі сонячних колекторів у Європі становить 12% , а окремих країнах досягає рівня 20-30% і більше. За кількістю колекторів на тисячу жителів населення світовим лідером є Кіпр, де 90% будинків обладнані сонячними установками (на тисячу жителів тут припадає 615,7 м2 сонячних колекторів), за ним слідують Ізраїль, Греція та Австрія. Абсолютним лідером за площею встановлених колекторів у Європі є Німеччина – 47%, далі йдуть Греція – 14%, Австрія – 12%, Іспанія – 6%, Італія – 4%, Франція – 3%. Європейські країни є безперечними лідерами у розробці нових технологій систем сонячного теплопостачання, проте сильно поступаються Китаю в обсягах введення в експлуатацію нових сонячних установок. Статистичні дані щодо збільшення кількості сонячних колекторів у світі, що вводяться в експлуатацію, за підсумками 2004 року дають наступний розподіл: Китай - 78%, Європа - 9%, Туреччина та Ізраїль - 8%, інші країни - 5%.
За експертною оцінкою ESTIF (Європейська Федерація промисловості сонячних теплових установок) техніко-економічний потенціал щодо використання сонячних колекторів у системах теплопостачання тільки в країнах ЄС становить понад 1,4 млрд.м2, здатних виробляти понад 680 000 ГВтч теплової енергії на рік. Плани на найближчу перспективу передбачають встановлення в цьому регіоні 100 000 000 м2 колекторів до 2010 року.

3. Сонячний колектор – ключовий елемент сонячної системи теплопостачання

Сонячний колектор є основним компонентом будь-якої сонячної системи теплопостачання. Саме в ньому відбувається перетворення сонячної енергії на тепло. Від його технічної досконалості та вартості залежить ефективність роботи всієї системи сонячного теплопостачання та її економічні показники.
У системах теплопостачання використовуються переважно два типи сонячних колекторів: плоский і вакуумний.

Плоский сонячний колектор складається з корпусу, прозорого огородження, абсорбера та теплової ізоляції (фіг.1).

Фіг. 1 Типова конструкція плоского сонячного колектора

Корпус є основною несучою конструкцією. Прозора огорожа пропускає сонячну радіацію всередину колектора, захищає абсорбер від впливу. зовнішнього середовищата зменшує теплові втрати з лицьового боку колектора. Абсорбер поглинає сонячну радіацію і трубками з'єднаними з його теплоприймальною поверхнею передає тепло теплоносію. Теплова ізоляція зменшує теплові втрати з тильної та бічної поверхонь колектора.
Теплоприймальна поверхня абсорбера має селективне покриття, що має високий коефіцієнт поглинання у видимій та ближній інфрачервоній області сонячного спектру та низький коефіцієнт випромінювання в області спектру, що відповідає робочим температурам колектора. У кращих сучасних колекторів коефіцієнт поглинання знаходиться в межах 94-95%, коефіцієнт випромінювання 3-8%, а ккд в області робочих температур типових для систем теплопостачання перевищує 50% Неселективне чорне покриття абсорбера в сучасних колекторах . На рис. 2 показані приклади сучасних плоских колекторів.

У вакуумних колекторах (рис 3) кожен елемент абсорбера міститься в окрему скляну трубу, усередині якої створюється вакуум, завдяки чому втрати тепла за рахунок конвекції та теплопровідності повітря придушуються практично повністю. Селективне покриття поверхні абсорбера дозволяє мінімізувати втрати на випромінювання. В результаті к.п.д вакуумного колектора виходить суттєво вище ніж у плоского колектора, на і вартість його значно вище.

а б

Рис 2 Плоскі сонячні колектри

а) фірма Вагнер; б) фірма Ферон

а б

Рис 3 Вакуумний колектор фірми Вісман
а) загальний вигляд, б) монтажна схема

3. Теплові схеми сонячних систем теплопостачання

У світовій практиці найбільш поширені малі системи сонячного теплопостачання. Як правило, такі системи включають сонячні колектори загальною площею 2-8м2, бак акумулятор, ємність якого визначається площею колекторів, циркуляційний насос або насоси (залежно від типу теплової схеми) та інше допоміжне обладнання. В невеликих системахциркуляція теплоносія між колектором і баком-акумулятором може здійснюватися і без насоса, за рахунок природної конвекції (термосифонний принцип). У цьому випадку бак-акумулятор повинен розташовуватися вище за колектор. Найпростішим типом таких установок є колектор, спарений з баком акумулятором, розташованим на верхньому торці колектора (рис.4). Системи такого типу використовуються зазвичай для потреб гарячого водопостачання у невеликих односімейних будинках котеджного типу.

4. Термосифонна сонячна система теплопостачання.

Рис. 5 показаний приклад активної системи більшого розміру, в якій бак акумулятор розташований нижче за колектори і циркуляція теплоносія здійснюється за допомогою насоса. Такі системи використовуються для потреб та гарячого водопостачання та опалення. Як правило, в активних системах, що беруть участь у покритті частини навантаження опалення, передбачається дублююче джерело тепла, що використовує електроенергію або газ .

Рис 5 Теплова схема активної сонячної системи гарячого водопостачання та опалення

Порівняно новим явищем у практиці використання сонячного теплопостачання є великі системи здатні забезпечити потреби гарячого водопостачання та опалення багатоквартирних будинківчи цілих житлових кварталів. У таких системах використовується або добове або сезонне акумулювання тепла.
Добове акумулювання передбачає можливість роботи системи з використанням накопиченого тепла протягом кількох діб, сезонне – протягом кількох місяців.
Для сезонного акумулювання тепла використовують великі підземні резервуари, наповнені водою, які скидаються всі надлишки тепла, одержуваного від колекторів протягом літа. Іншим варіантом сезонного акумулювання є прогрів ґрунту за допомогою свердловин з трубами, якими циркулює гаряча вода, що надходить від колекторів.

У таблиці 1. наведено основні параметри великих сонячних систем із добовим та сезонним акумулюванням тепла порівняно з малою сонячною системою для односімейного будинку.

Тип системи
Площа колекторів для однієї людини м2/чел
Об'єм теплового акумулятора, л/м2кол
Частка навантаження гарячого водопостачання, що покривається за рахунок сонячної енергії %
Частка загального навантаження, що покривається за рахунок сонячної енергії
Вартість тепла, що отримується за рахунок сонячної енергії для умов Німеччини Євро/кВтч

Майже половина всієї енергії використовується для обігріву повітря. Сонце світить і взимку, та його випромінювання зазвичай недооцінюється.

Грудневим днем неподалік Цюріха фізик А. Фішер генерував пару; це було, коли сонце знаходилося у найнижчій точці, а температура повітря була 3°С. На день пізніше сонячний колектор площею 0,7 м2 нагрів 30 л холодної води з садового водопроводу до +60°С.

Сонячна енергія взимку може легко використовуватись для обігріву повітря у приміщеннях. Навесні та восени, коли часто буває сонячно, але холодно, сонячний обігрів приміщень дозволить не включати основне опалення. Це дає змогу заощадити частину енергії, а відповідно й гроші. Для будинків, якими рідко користуються, або для сезонного житла (дачі, бунгало), обігрів сонячної енергії особливо корисний взимку, т.к. виключає надмірне охолодження стін, запобігаючи руйнуванню від конденсації вологи та цвілі. Таким чином, щорічні експлуатаційні витрати здебільшого знижуються.

При опаленні будинків за допомогою сонячного тепла необхідно вирішувати проблему теплоізоляції приміщень з урахуванням архітектурно-конструктивних елементів, тобто. при створенні ефективної системи сонячного опалення слід зводити будинки, що мають добрі теплоізоляційні властивості.

Вартість тепла
Допоміжне опалення

Сонячний внесок у опалення будинку
На жаль, період надходження тепла від Сонця далеко не завжди збігається у фазі з періодом появи теплових навантажень.

Велика частина енергії, яка є в нашому розпорядженні протягом літнього періоду, втрачається через відсутність постійного попиту на неї (насправді колекторна система є певною мірою саморегулюючою системою: коли температура носія досягає рівноважного значення, тепловосприйняття припиняється, оскільки теплові втрати від сонячного колектора стають рівними теплу, що сприймається).

Кількість корисного тепла, поглиненого сонячним колектором, залежить від 7 параметрів:

1. величини сонячної енергії, що надходить;
2. оптичних втрат у прозорій ізоляції;
3. поглинаючих властивостей теплосприймаючої поверхні сонячного колектора;
4. ефективності тепловіддачі від теплоприймача (від теплосприймаючої поверхні сонячного колектора до рідини, тобто від величини ефективності теплоприймача);
5. пропускну здатність прозорої теплоізоляції, яка визначає рівень теплових втрат;
6. температура теплосприймаючої поверхні сонячного колектора, яка у свою чергу залежить від швидкості теплоносія та температури теплоносія на вході в сонячний колектор;
7. Температура зовнішнього повітря.

Ефективність сонячного колектора, тобто. відношення використаної енергії та падаючої, визначатиметься всіма цими параметрами. За сприятливих умов вона може досягти 70%, а за несприятливих знизитися до 30%. Точне значенняефективності можна отримати при попередньому розрахунку лише шляхом повного моделювання поведінки системи з урахуванням усіх факторів, що перераховані вище. Очевидно, що така задача може бути вирішена лише із застосуванням комп'ютера.

Оскільки щільність потоку сонячної радіації постійно змінюється, то розрахункових оцінок можна скористатися повними сумами радіації протягом дня і навіть місяць.

У табл. 1 як приклад наведені:

середні місячні суми надходження сонячної радіації, виміряні на горизонтальній поверхні;

суми, розраховані для вертикальних стін, звернених на південь;

суми для поверхонь з оптимальним кутом нахилу 34 ° (для Кью, поблизу Лондона).

Таблиця 1. Місячні суми приходу сонячної радіації для К'ю (біля Лондона)

З таблиці видно, що поверхня з оптимальним кутом нахилу отримує (у середньому 8 зимових місяців) приблизно в 1,5 рази більше енергії ніж горизонтальна поверхня. Якщо відомі суми приходу сонячної радіації на горизонтальну поверхню, то перерахунку на похилу поверхню їх можна помножити твір цього коефіцієнта (1,5) і прийнятого значення ефективності сонячного колектора, рівного 40%, тобто.

1,5*0,4=0,6

При цьому вийде кількість корисної енергії, поглиненої похилою тепловосприймаючою поверхнею протягом даного періоду.

Щоб визначити ефективний внесок сонячної енергії в теплопостачання будівлі навіть шляхом ручного підрахунку, необхідно скласти принаймні місячні баланси потреб і корисного тепла, що отримується від Сонця. Для наочності розглянемо приклад.

Якщо використовувати наведені вище дані та розглянути будинок, для якого інтенсивність теплових втрат становить 250 Вт/°C, місцезнаходження характеризується річним числом градусів рівним 2800 (67200°C*год). а площа сонячних колекторів становить, наприклад, 40 м2, виходить наступний розподіл за місяцями (див. табл. 2).

Таблиця 2. Розрахунок ефективного внеску сонячної енергії

Місяць	°C*год/міс	Сума радіації на горизонтальній поверхні, кВт*год/м2	Корисне тепло на одиницю площі колектора (D0,6), кВтгод/м2	Сумарне корисне тепло (E40 м2), кВтгод	Сонячний внесок, кВт * год / м2
A	B	C	D	E	F	G
Січень	10560	2640	18,3	11	440	440
Лютий	9600	2400	30,9	18,5	740	740
Березень	9120	2280	60,6	36,4	1456	1456
Квітень	6840	1710	111	67,2	2688	1710
Травень	4728	1182	123,2	73,9	2956	1182
Червень	-	-	150,4	90,2	3608	-
Липня	-	-	140,4	84,2	3368	-
Серпень	-	-	125,7	75,4	3016	-
Вересень	3096	774	85,9	51,6	2064	774
Жовтень	5352	1388	47,6	28,6	1144	1144
Листопад	8064	2016	23,7	14,2	568	568
грудень	9840	2410	14,4	8,6	344	344
Сума	67200	16800	933	559,8	22392	8358

Вартість тепла
Підрахувавши кількість тепла, що забезпечується за рахунок Сонця, необхідно подати його в грошах.

Вартість виробленого тепла залежить від:

вартості палива;

теплотворної спроможності палива;

загальної ефективності системи.

Отримані таким чином експлуатаційні витрати можна порівняти з капітальними витратами на сонячну опалювальну систему.

Відповідно, якщо вважати, що у розглянутому вище прикладі сонячна опалювальна система використовується замість традиційної системи опалення, яка споживає, наприклад, газове паливоі виробляє тепло вартістю 1,67 руб/кВт*ч, те щоб визначити отриману річну економію, треба 8358 кВт*ч, що забезпечуються з допомогою сонячної енергії (згідно з розрахунками табл. 2 на площі колектора 40 м2), помножити на 1,67 руб/кВт*год, що дає

8358 * 1,67 = 13957,86 руб.

Допоміжне опалення
Одним із питань, які найчастіше ставлять люди, які хочуть зрозуміти використання сонячної енергії для опалення (або іншої мети), є питання: «Що робити, коли сонце не світить?» Зрозумівши концепцію запасання енергії, вони запитують: «Що робити, коли в акумуляторі не залишається більше теплової енергії?» Питання закономірне, і потреба в дублюючій, часто традиційній системі є серйозним каменем спотикання для широкого прийняття сонячної енергії як альтернативу існуючим джерелам енергії.

Якщо потужності системи сонячного теплопостачання недостатньо, щоб протримати будівлю протягом періоду холодної, похмурої погоди, то наслідки, навіть один раз за зиму, можуть бути досить серйозними, що змушують передбачати дублюючу звичайну повномірну систему опалення. Більшість будівель, опалюваних сонячною енергією, потребують повномірної дублюючої системи. В даний час у більшості районів сонячна енергія повинна розглядатися як засіб зниження витрати традиційних видівенергії, а не як повний їхній замінник.

Звичайні обігрівачі є підходящими дублерами, але існує чимало інших альтернатив, наприклад:

Каміни;
- дров'яні печі;
- дров'яні калорифери.

Припустимо, однак, що нам захотілося зробити систему сонячного теплопостачання досить великою, щоб забезпечити теплом приміщення несприятливі умови. Оскільки поєднання дуже холодних днів та довгих періодів хмарної погоди трапляється рідко, то додаткові розміри сонячної енергетичної установки (колектор та акумулятор), які будуть потрібні для цих випадків, обійдуться надто дорого за порівняно невеликої економії палива. Крім того, велику частинучасу система працюватиме за потужності нижче номінальної.

Система сонячного теплопостачання, розрахована на забезпечення 50% опалювального навантаження, може дати досить тепло лише на 1 день дуже холодної погоди. При подвоєнні розмірів сонячної системи будинок буде забезпечений теплом протягом 2-х холодних похмурих днів. Для періодів більше 2 днів подальше збільшення розмірів буде так само невиправданим, як і попереднє. Крім того, будуть періоди м'якої погоди, коли друге збільшення не буде потрібно.

Тепер, якщо збільшити площу колекторів опалювальної системи ще в 1,5 рази, щоб протриматися 3 холодні та хмарні дні, то теоретично вона буде достатньою для забезпечення 1/2 всієї потреби будинку протягом зими. Але, зрозуміло, практично цього може бути, оскільки трапляється іноді 4 (і більше) дні поспіль холодної хмарної погоди. Щоб врахувати цей 4-й день, нам потрібна система сонячного опалення, яка теоретично може зібрати вдвічі більше тепла, ніж це необхідно будівлі протягом опалювального сезону. Зрозуміло, що холодні та хмарні періоди можуть бути тривалішими, ніж передбачено у проекті системи сонячного теплопостачання. Чим більший колектор, тим менш інтенсивно використовується кожне додаткове збільшення його розмірів, тим менше енергії економиться на одиницю площі колектора і тим менша окупність капіталовкладень на кожну додаткову одиницю площі.

Тим не менш, робилися сміливі спроби накопичити достатню кількість теплової енергії сонячного випромінювання для покриття всієї потреби в опаленні та відмовитись від допоміжної системи опалення. За рідкісними винятками таких систем, як сонячний будинок Г. Хея, довготривале акумулювання тепла є, мабуть, єдиною альтернативою допоміжній системі. Г. Томасон близько підійшов до 100%-ного сонячного опалення у своєму першому будинку у Вашингтоні; лише 5% опалювального навантаження покривалося за рахунок стандартного нагрівника на рідкому паливі.

Якщо допоміжна система покриває лише невеликий відсоток всього навантаження, тобто сенс використовувати електроопалення, незважаючи на те, що воно вимагає виробництва значної кількості енергії на електростанції, яка потім перетворюється на тепло для обігріву (на електростанції витрачається 10500...13700 кДж для виробництва 1 кВт*год теплової енергії у приміщенні). У більшості випадків електрообігрівач буде дешевшим за нафтовий або газової печіа порівняно невелика кількість електроенергії, необхідної для обігріву будівлі, може виправдати його застосування. Крім того, електронагрівач - менш матеріаломісткий пристрій завдяки порівняно невеликій кількості матеріалу (у порівнянні з обігрівачем), що йде на виготовлення електроспіралей.

Оскільки ККД сонячного колектора суттєво зростає, якщо експлуатувати його за низьких температур, то опалювальна система повинна розраховуватися на використання якомога нижчих температур - навіть на рівні 24...27°C. Одна з переваг системи Томасона, що використовує тепле повітря, полягає в тому, що вона продовжує вилучати корисне тепло з акумулятора при температурах, майже рівних температурі приміщення.

У новому будівництві опалювальні системи можна розраховувати на використання нижчих температур, наприклад, шляхом подовження трубчасто-ребристих радіаторів з гарячою водою, збільшення розмірів радіаційних панелей або збільшення об'єму повітря нижчої температури. Проектувальники найчастіше зупиняють свій вибір на опаленні приміщення за допомогою теплого повітря або застосування збільшених радіаційних панелей. В системі повітряного опалення найкраще використовується запасне низькотемпературне тепло. Променисті опалювальні панелімають тривале запізнення (між включенням системи та нагріванням повітряного простору) і зазвичай вимагають вищих робочих температур теплоносія, ніж системи з гарячим повітрям. Тому тепло з акумулюючого пристрою не використовується повною мірою при нижчих температурах, які прийнятні для систем теплим повітрям, та й загальний ККД такої системи нижчий. Перевищення розмірів системи з радіаційних панелей для отримання результатів, аналогічних результатам при використанні повітря, може спричинити значні додаткові витрати.

Для підвищення загального ККД системи (сонячного опалення та допоміжної дублюючої системи) та одночасного зниження загальних витрат шляхом ліквідації простою складових частин, багато проектувальників обрали шлях інтегрування сонячного колектора та акумулятора допоміжною системою. Спільними є такі складові елементи, як:

Вентилятори;
- Насоси;
- теплообмінники;
- органи управління;
- Труби;
- Повітроводи.

На рисунках статті Системне проектування показано різні схеми таких систем.

Пасткою при проектуванні стикових елементів між системами є збільшення органів управління та рухомих частин, що підвищує ймовірність механічних поломок. Спокуса збільшити на 1...2% ККД шляхом додавання ще одного пристрою на стику систем є майже непереборною і може бути найпоширенішою причиною виходу з експлуатації сонячної опалювальної системи. Зазвичай допоміжний обігрівач повинен нагрівати відсік акумулятора сонячного тепла. Якщо це відбувається, то фаза збору сонячного тепла буде менш ефективною, оскільки майже завжди цей процес протікатиме при вищих температурах. В інших системах зниження температури акумулятора завдяки використанню тепла будинком підвищує загальний ККД системи.

Причини інших недоліків цієї схеми пояснюються великою втратою тепла з акумулятора через його високі температури. У системах, в яких допоміжне обладнання не нагріває акумулятор, останній втрачатиме значно менше тепла за відсутності сонця протягом декількох днів. Навіть у спроектованих таким шляхом системах втрати тепла із контейнера становлять 5...20% всього тепла, поглиненого системою сонячного опалення. З акумулятором, що обігрівається допоміжним обладнанням, втрата тепла буде значно вищою і може бути виправдана тільки в тому випадку, якщо контейнер акумулятора знаходиться всередині приміщення будівлі.

27.09.2019

Класифікація та основні елементи геліосистем

Системами сонячного теплопостачання називаються системи, що використовують як джерело теплової енергії сонячну радіацію. Їхньою характерною відмінністю від інших систем низькотемпературного опалення є застосування спеціального елемента - геліоприймача, призначеного для уловлювання сонячної радіації та перетворення її на теплову енергію.

Пасивниминазиваються системи сонячного опалення, в яких як елемент, що сприймає сонячну радіацію і перетворює її в теплоту, служать сама будівля або окремі огорожі (будівля-колектор, стіна-колектор, покрівля-колектор, малюнок 1).

У пасивних геліосистемах використання сонячної енергії здійснюється виключно за рахунок архітектурно-конструктивних рішень будівель.

У пасивній системі сонячного низькотемпературного опалення будівля-колектор сонячна радіація, проникаючи через світлові прорізи в приміщення, потрапляє як у теплову пастку. Короткохвильове сонячне випромінювання вільно проходить через шибку і потрапляючи на внутрішні огорожі приміщення, перетворюється на теплоту. Вся сонячна радіація, що потрапила в приміщення, перетворюється в ньому на теплоту і здатна частково або повністю компенсувати його теплові втрати.

Для підвищення ефективності роботи системи будівля-колектор світлові отвори великої площіпоміщають на південному фасаді, забезпечуючи їх жалюзі, які при закритті повинні перешкоджати в темну пору доби втратам із противипромінюванням, а в спекотний період у поєднанні з іншими сонцезахисними пристроями - перегріву приміщення. Внутрішні поверхні фарбують у темні тони.

Завданням розрахунку при даному способі обігріву є визначення необхідної площі світлових прорізів для пропускання приміщення потоку сонячної радіації, необхідного з урахуванням акумулювання для компенсації теплових втрат. Як правило, потужності пасивної системи будівля-колектор в холодний період виявляється недостатньо, і в будівлі встановлюють додаткове теплоджерело, перетворюючи систему на комбіновану. Розрахунком при цьому визначають економічно доцільні площі світлових прорізів та потужність додаткового теплоджерела.

Пасивна сонячна система повітряного низькотемпературного опалення "стіна-колектор" включає масивну зовнішню стіну, перед якою на невеликій відстані встановлюють променепрозорий екран із жалюзі. У підлоги та під стелею в стіні влаштовують щілинні отвори з клапанами. Сонячні промені, пройшовши через променепрозорий екран, поглинаються поверхнею масивної стіни і перетворюються на теплоту, яка конвекцією передається повітрю, що знаходиться в просторі між екраном і стіною. Повітря нагрівається і піднімається вгору, потрапляючи через щілинний отвір під стелею в приміщення, яке обіймається, а його місце займає остигле повітря з приміщення, що проникає в простір між стіною і екраном через щілинний отвір біля підлоги приміщення. Подача нагрітого повітря до приміщення регулюють відкриттям клапана. Якщо клапан закрито, відбувається акумуляція теплоти масивом стінки. Цю теплоту можна відібрати конвективним потоком повітря, відкриваючи клапан у нічний час або у похмуру погоду.

При розрахунку такої системи низькотемпературного пасивного сонячного повітряного опалення визначають необхідну площу поверхні стіни. Цю систему також дублюють додатковим джерелом теплоти.

активниминазиваються системи сонячного низькотемпературного опалення, в яких геліоприймач є самостійним окремим пристроєм, що не належить до будівлі. Активні геліосистеми можуть бути поділені:

за призначенням (системи гарячого водопостачання, опалення, комбіновані системи для теплохолодопостачання);
по виду використовуваного теплоносія (рідинні - вода, антифриз та повітряні);
за тривалістю роботи (цілорічні, сезонні);
з технічного вирішення схем (одно-, дво-, багатоконтурні).

Для активних систем сонячного опалення застосовують геліоприймачі двох типів: концентруючі та плоскі.

Повітря є широко поширеним теплоносієм, що незамерзає у всьому діапазоні робочих параметрів. При застосуванні його як теплоносій можливе суміщення систем опалення із системою вентиляції. Однак повітря - малотепломісткий теплоносій, що веде до збільшення витрати металу на влаштування систем повітряного опалення в порівнянні з водяними системами. Вода є теплоємним та широкодоступним теплоносієм. Однак при температурах нижче 0 ◦ C до неї необхідно додавати незамерзаючі рідини. Крім того, слід враховувати, що вода, насичена киснем, викликає корозію трубопроводів та апаратів. Але витрата металу у водяних геліосистемах значно нижча, що великою мірою сприяє ширшому їх застосуванню.

Сонячна водонагрівальна установка СВУ (рисунок 2) складається із сонячного колектора та теплообмінника-акумулятора. Через сонячний колектор циркулює теплоносій (антифриз). Теплоносій нагрівається в сонячному колекторі енергією Сонця і потім віддає теплову енергію воді через теплообмінник, вмонтований в бакакумулятор. У баку-акумуляторі зберігається гаряча вода до моменту використання, тому він повинен мати хорошу теплоізоляцію. У першому контурі, де розташований сонячний колектор, може використовуватись природна або примусова циркуляція теплоносія. У бак-акумулятор може встановлюватись електричний або будь-який інший автоматичний нагрівач-дублер. У разі зниження температури в баку-акумуляторі нижче встановленої (тривала похмура погода або мала година сонячного сяйва взимку) нагрівач-дублер автоматично вмикається і догріває воду до заданої температури.

Геліосистеми опалення будівель зазвичай двоконтурні або найчастіше багатоконтурні, причому для різних контурів можуть бути застосовані різні теплоносії (наприклад, геліоконтури - водні розчини незамерзаючих рідин, в проміжних контурах - вода, а в контурі споживача - повітря). Комбіновані геліосистеми цілорічної дії для цілей теплохолодопостачання будівель багатоконтурні та включають додаткове джерело теплоти у вигляді традиційного теплогенератора, що працює на органічному паливі, або трансформатора теплоти. Принципова схема системи сонячного теплопостачання наведена малюнку 3. Вона включає три контури циркуляції:

перший контур, що складається із сонячних колекторів 1, циркуляційного насоса 8 та рідинного теплообмінника 3;
другий контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 та теплообмінника 3;
третій контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 водоповітряного теплообмінника (калорифера) 5.

Функціонує система сонячного теплопостачання в такий спосіб. Теплоносій (антифриз) теплоприймального контуру, нагріваючись у сонячних колекторах 1, надходить у теплообмінник 3, де теплота антифризу передається воді, що циркулює міжтрубному просторі теплообмінника 3 під дією насоса 8 другого контуру. Нагріта вода надходить у бак-акумулятор 2. З бака-акумулятора вода забирається насосом гарячого водопостачання 8, при необхідності доводиться до необхідної температури в дублері 7 і надходить в систему гарячого водопостачання будівлі. Підживлення бака акумулятора здійснюється із водопроводу. Для опалення вода з бака-акумулятора 2 подається насосом третього контуру 8 калорифер 5, через який за допомогою вентилятора 9 пропускається повітря і, нагрівшись, надходить в будинок 4. У разі відсутності сонячної радіації або нестачі теплової енергії, що виробляється сонячними колекторами, в роботу включається дублер 6. Вибір та компонування елементів системи сонячного теплопостачання у кожному конкретному випадку визначаються кліматичними факторами, призначенням об'єкта, режимом теплоспоживання, економічними показниками.

На малюнку 4 наведено схему системи сонячного опалення енергоефективного екологічно чистого будинку.

В системі як теплоносій використовують: воду при плюсових температурах та антифриз в опалювальний період (сонячний контур), воду (другий контур підлогового опалення) та повітря (третій контур повітряного сонячного опалення).

Як дублююче джерело використаний електрокотел, а для акумулювання тепла на добу використовується акумулятор об'ємом 5 м 3 з насадкою з гальки. Один кубометр гальки акумулює в середньому протягом дня 5 МДж тепла.

Низькотемпературні системи акумулювання теплоти охоплюють діапазон температур від 30 до 100 °C і використовуються в системах повітряного (30 °C) та водяного (30–90 °C) опалення та гарячого водопостачання (45–60 °C).

Система акумулювання теплоти, як правило, містить резервуар, теплоакумулюючий матеріал, за допомогою якого здійснюється накопичення та зберігання теплової енергії, теплообмінні пристрої для підведення та відведення теплоти під час заряджання та розряджання акумулятора та теплову ізоляцію.

Акумулятори можна класифікувати за характером фізико-хімічних процесів, що протікають у теплоакумулюючих матеріалах:

акумулятори ємнісного типу, в яких використовується теплоємність матеріалу, що нагрівається (галька, вода, водні розчини солей та ін.);
акумулятори фазового переходу речовини, у яких використовується теплота плавлення (затвердіння) речовини;
акумулятори енергії, засновані на виділенні та поглинанні теплоти при оборотних хімічних та фотохімічних реакціях.

Найбільш поширені акумулятори теплоти ємнісного типу.

Кількість теплоти Q (кДж), яка може бути накопичена в акумуляторі теплоти ємнісного типу, визначається за формулою

Найбільш ефективним теплоакумулюючим матеріалом у рідинних сонячних системах теплопостачання є вода. Для сезонного акумулювання теплоти перспективне використання підземних водойм, ґрунту гірської породи та інших природних утворень.

Концентруючі геліоприймачі є сферичними або параболічними дзеркалами (рисунок 5.), виконані з полірованого металу, у фокус яких поміщають теплосприймаючий елемент (сонячний котел), через який циркулює теплоносій. Як теплоносій використовують воду або незамерзаючі рідини. При використанні в якості теплоносія води в нічний годинник і в холодний період систему обов'язково випорожнюють для запобігання її замерзанню.

Перевагою систем з концентруючими геліоприймачами є здатність вироблення теплоти з відносно високою температурою (до 100 ◦ C) і навіть пара. До недоліків слід зарахувати високу вартість конструкції; необхідність постійного очищення поверхонь, що відбивають, від пилу; роботу тільки у світлий час доби, а отже потреба в акумуляторах великого об'єму; Великі енерговитрати на привід системи стеження за перебігом Сонця, порівняні з енергією, що виробляється. Ці недоліки стримують широке застосування активних низькотемпературних систем сонячного опалення з геліоприймачами, що концентрують. Останнім часом найчастіше для сонячних низькотемпературних систем опалення застосовують пласкі геліоприймачі.

Плоскі сонячні колектори

Плоский сонячний колектор є теплообмінником, призначеним для нагрівання рідини або газу за рахунок сонячної енергії. Область застосування плоских сонячних колекторів - системи опалення житлових та виробничих будівель, системи кондиціювання, системи гарячого водопостачання, а також енергетичні установки з низькокиплячим робочим тілом, що працюють зазвичай за циклом Ренкіна. Плоскі сонячні колектори (малюнки 6 і 7) складаються зі скляного або пластикового покриття (одинарного, подвійного, потрійного), теплосприймаючої панелі, пофарбованої з боку, зверненої до Сонця, у чорний колір, ізоляції на звороті та корпусу (металевого, пластикового, скляного) , Дерев'яного).

Як теплосприймаюча панель можна використовувати будь-який металевий або пластмасовий лист з каналами для теплоносія. Виготовляються теплосприймаючі панелі з алюмінію або сталі двох типів: лист-труба та штамповані панелі (труба у листі). Пластмасові панелі через недовговічність та швидке старіння під дією сонячних променів, а також через малу теплопровідність не знаходять широкого застосування. Під дією сонячної радіації теплосприймаючі панелі розігріваються до температур 70-80 ◦ C, що перевищують температуру навколишнього середовища, що веде до збільшення конвективної тепловіддачі панелі у навколишнє середовище та її власного випромінювання на небосхил. Для досягнення більш високих температур теплоносія поверхню пластини покривають спектрально-селективними шарами, активно поглинають короткохвильове випромінювання Сонця і знижують її власне теплове випромінювання в довгохвильовій частині спектра. Такі конструкції на основі «чорного нікелю», «чорного хрому», окису міді на алюмінії, окису міді на міді та інші – дорогі (їхня вартість часто співмірна з вартістю самої теплосприймаючої панелі). Іншим способом покращення характеристик плоских колекторів є створення вакууму між теплосприймаючою панеллю та прозорою ізоляцією для зменшення теплових втрат (сонячні колектори четвертого покоління).

Принцип дії колектора заснований на тому, що він сприймає сонячну радіацію з досить високим коефіцієнтом поглинання видимого сонячного світла та має порівняно низькі теплові втрати, у тому числі за рахунок низького коефіцієнта пропускання скляного світлопрозорого покриття для теплового випромінювання при робочій температурі. Зрозуміло, що температура теплоносія, що отримується, визначається тепловим балансом колектора. Прибуткову частину балансу є тепловий потік сонячного випромінювання з урахуванням оптичного ККД колектора; видаткова частина визначається корисним теплом, сумарним коефіцієнтом теплових втрат і різницею робочої температури і навколишнього середовища. Досконалість колектора визначається його оптичним та тепловим ККД.

Оптичний ККД η про показує, яка частина сонячної радіації, що досягла поверхні скління колектора, виявляється поглиненою абсорбуючою випромінювання чорною поверхнею, і враховує втрати енергії, пов'язані з поглинанням у склі, відображенням та відмінністю коефіцієнта теплового випромінювання абсорбуючої поверхні від одиниці.

Найпростіший сонячний колектор з односкляним світлопрозорим покриттям, пінополіуретановою ізоляцією інших поверхонь та абсорбером, покритим чорною фарбою, має оптичний ККД близько 85%, а коефіцієнт теплових втрат близько 5–6 Вт/(м 2 · К) (рис. 7). Сукупність плоскої променепоглинаючої поверхні та труб (каналів) для теплоносія утворює єдиний конструктивний елемент – абсорбер. Такий колектор влітку у середніх широтах може нагріти воду до 55–60 ◦C і має денну продуктивність у середньому 70–80 л води з 1 м 2 поверхні нагрівача.

Для отримання більш високих температур застосовують колектори із вакуумованих труб із селективним покриттям (рисунок 8).

У вакуумному колекторі об'єм, в якому знаходиться чорна поверхня, що поглинає сонячне випромінювання, відокремлений від навколишнього середовища вакуумованим простором (кожний елемент абсорбера міститься в окрему скляну трубу, всередині якої створюється вакуум), що дозволяє практично повністю усунути втрати теплоти в навколишнє середовище за рахунок теплопровідності та конвекції. Втрати випромінювання значною мірою придушуються з допомогою застосування селективного покриття. У вакуумному колекторі теплоносій можна нагріти до 120-150 °C. ККД вакуумного колектора суттєво вище, ніж плоского колектора, але й коштує він значно дорожче.

Ефективність роботи геліоенергетичних установок багато в чому залежить від оптичних властивостей поверхні, що поглинає сонячне випромінювання. Для зведення до мінімуму втрат енергії необхідно, щоб у видимій та ближній інфрачервоних областях сонячного спектру коефіцієнт поглинання цієї поверхні був якомога ближче до одиниці, а в області довжин хвиль власного теплового випромінювання поверхні до одиниці повинен прагнути коефіцієнт відображення. Таким чином, поверхня повинна мати селективні властивості - добре поглинати короткохвильове випромінювання і добре відображати довгохвильове.

За типом механізму, відповідального за вибірковість оптичних властивостей, розрізняють чотири групи селективних покриттів:

власні;
двошарові, у яких верхній шармає великий коефіцієнт поглинання у видимій області спектру і малим - в інфрачервоній області, а нижній шар - високим коефіцієнтом відображення в інфрачервоній області;
з мікрорельєфом, що забезпечує необхідний ефект;
інтерференційні.

Власною вибірковістю оптичних властивостей має невелику кількість відомих матеріалів, наприклад, W, Cu 2 S, HfC.

Найбільшого поширення набули двошарові селективні покриття. На поверхню, якій необхідно надати селективні властивості, наноситься шар з великим коефіцієнтом відображення в довгохвильовій ділянці спектра, наприклад, мідь, нікель, молібден, срібло, алюміній. Поверх цього шару наноситься шар, прозорий у довгохвильовій ділянці, але має високий коефіцієнт поглинання у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру. Такі властивості мають багато оксиди.

Селективність поверхні може бути забезпечена за рахунок чисто геометричних факторів: нерівності поверхні повинні бути більшими за довжину хвилі світла у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру та менше за довжину хвилі, що відповідає власному тепловому випромінюванню поверхні. Така поверхня для першої із зазначених областей спектра буде чорною, а для другої – дзеркальною.

Селективні властивості мають поверхні з дендритною або пористою структурою при відповідних розмірах дендритних голок або пор.

Інтерференційні селективні поверхні утворені декількома шарами металу і діелектрика, в яких короткохвильове випромінювання гаситься за рахунок інтерференції, а довгохвильове - вільно відображається.

Масштаби використання сонячних систем теплопостачання

За даними МЕА до кінця 2001 р. сумарна площа встановлених колекторів у 26 країнах, найбільш активних у цьому відношенні, склала близько 100 млн м 2 , з яких 27,7 млн м 2 припадає на частку несклених колекторів, що переважно використовуються для підігріву води в басейни. Інші - плоскі засклені колектори та колектори з вакуумованими трубами, - використовувалися в системах ГВПабо для опалення приміщень. За площею встановлених колекторів, що припадає на 1000 мешканців, лідирують Ізраїль (608 м2), Греція (298) та Австрія (220). Далі йдуть Туреччина, Японія, Австралія, Данія та Німеччина з питомою площею встановлених колекторів 118–45 м 2 /1000 мешканців.

Загальна площа сонячних колекторів, встановлених до кінця 2004 р., у країнах ЄС досягла 13,96 млн м2, а у світі вже перевищила 150 млн м2. Щорічний приріст площі сонячних колекторів у Європі становить 12 %, а окремих країнах становить 28–30% і більше. Світовий лідер за кількістю колекторів на тисячу мешканців - Кіпр, де 90% будинків обладнані сонячними установками (на тисячу мешканців тут припадає 615,7 м 2 сонячних колекторів), за ним слідують Ізраїль, Греція та Австрія. Абсолютним лідером за площею встановлених колекторів у Європі є Німеччина - 47%, далі йде Греція - 14%, Австрія -12%, Іспанія - 6%, Італія - 4%, Франція - 3%. Європейські країни - безперечні лідери у розробці нових технологій систем сонячного теплопостачання, проте сильно поступаються Китаю в обсягах введення в експлуатацію нових сонячних установок.

Із загальної площі сонячних колекторів, встановлених у світі 2004 р., 78% встановлено у Китаї. Ринок СВУ у Китаї останнім часом зростає з темпом 28% на рік.

У 2007 р. загальна площа сонячних колекторів, встановлених у світі, вже становила 200 млн м2, у тому числі в Європі – понад 20 млн м2.

Сьогодні на світовому ринку вартість СВУ (рисунок 9), що включає колектор площею 5-6м2, бак-акумулятор ємністю близько 300 л і необхідну арматуру, становить 300-400 доларів США в розрахунку на 1 м2 колектора. Такі системи переважно встановлюються в індивідуальних одно- та двосімейних будинках та мають резервний нагрівач (електро- або газовий). При установці бака-акумулятора вище за колектор система може працювати на природній циркуляції (термосифонний принцип); при установці бака-акумулятора у підвалі – на примусовій.

У світовій практиці найбільш поширені малі системи сонячного теплопостачання. Як правило, такі системи включають сонячні колектори загальною площею 2-8 м 2 , бак-акумулятор, ємність якого визначається площею встановлених колекторів, циркуляційний насос (залежно від типу теплової схеми) та інше допоміжне обладнання.

Активні системи великого розміру, в яких бак-акумулятор знаходиться нижче за колектори і циркуляція теплоносія здійснюється за допомогою насоса, застосовуються для потреб гарячого водопостачання та опалення. Як правило, в активних системах, що беруть участь у покритті частини навантаження опалення, передбачається дублююче джерело тепла, що працює на електроенергії або газі.

Порівняно нове явище у практиці використання сонячного теплопостачання – великі системи, здатні забезпечити потреби гарячого водопостачання та опалення багатоквартирних будинків або цілих житлових кварталів. У таких системах передбачено або добове або сезонне акумулювання тепла. Добове акумулювання передбачає можливість роботи системи з витрачанням тепла, накопиченого протягом кількох діб, сезонне – протягом кількох місяців. Для сезонного акумулювання тепла використовують великі підземні резервуари, наповнені водою, які скидаються всі надлишки тепла, одержуваного від колекторів протягом літа. Інший варіант сезонного акумулювання - прогрів ґрунту за допомогою свердловин з трубами, якими циркулює гаряча вода, що надходить від колекторів.

У таблиці 1 наведено основні параметри великих сонячних систем із добовим та сезонним акумулюванням тепла порівняно з малою сонячною системою для односімейного будинку.

Таблиця 1. - Основні параметри сонячних систем теплопостачання

В даний час у Європі функціонують 10 сонячних систем теплопостачання з площею колекторів від 2400 до 8040 м2, 22 системи з площею колекторів від 1000 до 1250 м2 та 25 систем з площею колекторів від 500 до 1000 м2. Нижче наведено характеристики деяких великих систем.

Hamburg (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 14800 м 2 . Площа сонячних колекторів – 3000 м 2 . Об'єм водяного акумулятора тепла - 4500 м 3 .

Fridrichshafen (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 33000 м 2 . Площа сонячних колекторів – 4050 м 2 . Об'єм водяного акумулятора тепла - 12000 м 3 .

Ulm-am-Neckar (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 25000 м 2 . Площа сонячних колекторів – 5300 м 2 . Об'єм ґрунтового акумулятора тепла - 63400 м 3 .

Rostock (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 7000 м 2 . Площа сонячних колекторів – 1000 м 2 . Об'єм ґрунтового акумулятора тепла - 20000 м 3 .

Hemnitz (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 4680 м 2 . Площа вакуумних сонячних колекторів – 540 м 2 . Об'єм гравійно-водяного акумулятора тепла - 8000 м 3 .

Attenkirchen (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 4500 м 2 . Площа вакуумних сонячних колекторів – 800 м 2 . Об'єм ґрунтового акумулятора тепла - 9850 м 3 .

Saro (Швеція). Система складається з 10 невеликих будинків, що включають 48 квартир. Площа сонячних колекторів – 740 м 2 . Об'єм водяного акумулятора тепла - 640 м 3 . Сонячна система покриває 35% загального теплового навантаження системи теплопостачання.

Нині у Росії є кілька фірм, що випускають сонячні колектори, придатні надійної експлуатації. Основні з них – це Коврівський механічний завод, НУО Машинобудування та ЗАТ Альтен.

Колектори Ковровського механічного заводу (рисунок 10), що не мають селективного покриття, дешеві та прості за конструкцією, орієнтовані в основному на внутрішній ринок. У Краснодарському краї нині встановлено понад 1500 колекторів такого типу.

Колектор НУО Машинобудування за характеристиками близький до європейських стандартів. Абсорбер колектора виконаний з алюмінієвого сплаву з селективним покриттям і розрахований головним чином на роботу у двоконтурних схемах теплопостачання, оскільки прямий контакт води з алюмінієвими сплавами може призвести до корозії пітингу каналів, по яких проходить теплоносій.

Колектор АЛЬТЕН-1 має абсолютно нову конструкцію та задовольняє європейським стандартам, його можна використовувати як у одноконтурних, так і двоконтурних схемах теплопостачання. Колектор відрізняється високими теплотехнічними характеристиками, широким діапазоном. можливих застосувань, малою вагою та привабливим дизайном.

Досвід експлуатації установок на основі сонячних колекторів виявив низку недоліків подібних систем. Насамперед це висока вартість колекторів, пов'язана із селективними покриттями, підвищенням прозорості скління, вакуумуванням і т. д. Істотним недоліком є необхідність частого очищення скла від пилу, що практично виключає застосування колектора у промислових районах. При тривалій експлуатації сонячних колекторів, особливо в зимових умовах, спостерігається частий вихід з ладу через нерівномірності розширення освітлених і затемнених ділянок скла з допомогою порушення цілісності скління. Відзначається також великий відсоток виходу з ладу колекторів під час транспортування та монтажу. Значним недоліком роботи систем із колекторами є також нерівномірність завантаження протягом року та доби. Досвід експлуатації колекторів в умовах Європи та європейської частини Росії за високої частки дифузної радіації (до 50%) показав неможливість створення цілорічної автономної системи гарячого водопостачання та опалення. Усі геліосистеми із сонячними колекторами в середніх широтах вимагають пристрої великих за обсягом баків-акумуляторів та включення до системи додаткового джерела енергії, що знижує економічний ефект від їх застосування. У зв'язку з цим найбільш доцільним є їх використання в районах з високою інтенсивністю сонячної радіації (не нижче 300 Вт/м 2 ).

Ефективне використання сонячної енергії

У житлових та адміністративних будинках сонячну енергію в основному використовують у формі тепла для задоволення потреб у гарячому водопостачанні, опаленні, охолодженні, вентиляції, сушіння тощо.

Використання сонячного тепла з економічної точки зору найбільш вигідне при створенні систем гарячого водопостачання та близьких до них за технічним втіленням установках для підігріву води (у басейнах, промислових пристроях). Гаряче водопостачання необхідне в кожному житловому будинку, і оскільки потреби в гарячій воді відносно мало змінюються протягом року, ефективність таких установок висока і вони швидко окупаються.

Що стосується систем сонячного опалення, то період їх використання протягом року короткий, в опалювальний період інтенсивність сонячного випромінювання низька і відповідно площа колекторів значно більша, ніж у системах гарячого водопостачання, та економічна ефективність нижча. Зазвичай при проектуванні поєднують систему сонячного опалення та гарячого водопостачання.

У системах сонячного охолодження період експлуатації ще нижчий (три літні місяці), що тягне до тривалого простою обладнання та дуже низького коефіцієнта їх використання. З урахуванням високої вартості обладнання для охолодження економічна ефективність систем стає мінімальною.

Річний коефіцієнт використання обладнання в комбінованих системах теплохолодопостачання (гаряче водопостачання, опалення та охолодження) виходить найбільш високим, і ці системи на перший погляд вигідніші, ніж комбіновані системи опалення та гарячого водопостачання. Однак якщо при цьому врахувати вартість необхідних сонячних колекторів та механізмів системи охолодження, то виявиться, що такі сонячні установки будуть дуже дорогими та навряд чи стануть економічно вигідними.

При створенні систем сонячного опалення слід застосовувати пасивні схеми, що передбачають підвищення теплоізоляції будівлі та ефективне використання сонячного випромінювання, що надходить через віконні отвори. Проблему теплоізоляції необхідно вирішувати на основі архітектурно-конструктивних елементів з використанням малотеплопровідних матеріалів та конструкцій. Тепло, що бракує, рекомендується заповнювати за допомогою активних сонячних систем.

Економічні характеристики сонячних колекторів

Основна проблема широкого використання сонячних установок пов'язана з їхньою недостатньою економічною ефективністю порівняно з традиційними системами теплопостачання. Вартість теплової енергії в установках із сонячними колекторами вище, ніж в установках із традиційними паливами. Термін окупності сонячної теплової установки T ок можна визначити за такою формулою:

Економічний ефект установки сонячних колекторів у зонах централізованого енергопостачання Е може бути визначений як дохід від продажу енергії в період всього терміну служби встановлення за вирахуванням витрат експлуатації:

У таблиці 2 представлена вартість систем сонячного теплопостачання (у цінах 1995). Дані показують, що вітчизняні розробки в 2,5–3 рази дешевші за закордонні.

Низька ціна вітчизняних систем пояснюється тим, що вони виконані з дешевих матеріалів, прості за конструкцією та орієнтовані на внутрішній ринок.

Таблиця 2. - Вартість систем сонячного теплопостачання

Питомий економічний ефект (Е/S) у зоні централізованого теплопостачання, залежно від терміну служби колекторів, становить від 200 до 800 руб/м2.

Набагато більший економічний ефект мають установки теплопостачання із сонячними колекторами у регіонах, віддалених від централізованих енергомереж, які у Росії становлять понад 70% її території із населенням близько 22 млн осіб. Ці установки призначені для роботи в автономному режиміна індивідуальних споживачів, де потреби теплової енергії дуже значні. У той же час вартість традиційних палив набагато вища за їхню вартість у зонах централізованого теплопостачання через транспортні витрати та втрати палива при транспортуванні, тобто у вартість палива в регіоні Ц тр включається регіональний фактор r р:

де r р > 1 і різних регіонів може змінювати свою величину. У той самий час питома вартість установки C майже змінюється проти Ц тр. Тому при заміні Ц т на Ц тр у формулах

розрахований термін окупності автономних установок у зонах, віддалених від централізованих мереж, зменшується в r р разів, а економічний ефект зростає пропорційно r р.

У сьогоднішніх умовах Росії, коли ціни на енергоносії постійно зростають і мають нерівномірність по регіонах через умови транспортування, вирішення питання про економічну доцільність використання сонячних колекторів дуже залежить від місцевих соціально-економічних, географічних та кліматичних умов.

Сонячно-геотермальна система теплопостачання

З погляду безперебійного забезпечення споживача енергією найефективніші комбіновані технологічні системи, що використовують два і більше види ВІЕ.

За рахунок сонячної теплової енергії можна повністю забезпечити потреби гарячої води в будинку в літній час. В осінньо-весняний період від Сонця можна отримати до 30% необхідної енергії на опалення та до 60% від потреб на гаряче водопостачання.

Останніми роками активно розвиваються геотермальні системи теплопостачання з урахуванням теплових насосів. У таких системах, як зазначалося вище, як первинне джерело тепла використовується низькопотенційна (20–40 ◦ C) термальна вода або петротермальна енергія верхніх шарів земної кори. При використанні тепла ґрунту застосовуються ґрунтові теплообмінники, які розміщуються або у вертикальних свердловинах глибиною 100-300 м, або на деякій глибині горизонтально.

Для ефективного забезпечення теплом та гарячою водою децентралізованих споживачів невеликої потужності в ІПГ ДНЦ РАН розроблено комбіновану сонячно-геотермальну систему (рисунок 11).

Така система складається із сонячного колектора 1, теплообмінника 2, бака-акумулятора 3, теплового насосу 7 та свердловини-теплообмінника 8. Через сонячний колектор циркулює теплоносій (антифриз). Теплоносій нагрівається в сонячному колекторі енергією Сонця і потім віддає теплову енергію воді через теплообмінник 2, вмонтований в бак-акумулятор 3. У баку-акумуляторі зберігається гаряча вода до моменту її використання, тому він повинен мати хорошу теплоізоляцію. У першому контурі, де розташований сонячний колектор, може використовуватись природна або примусова циркуляція теплоносія. У бак-акумулятор вмонтований і електричний нагрівач 6. У разі зниження температури в баку-акумуляторі нижче встановленої (тривала похмура погода або мала година сонячного сяйва взимку) електронагрівач автоматично вмикається і догріває воду до заданої температури.

Блок сонячного колектора експлуатується цілий рік і забезпечує споживача гарячою водою, а блок низькотемпературного опалення підлоги з тепловим насосом (ТН) і свердловиною-теплообмінником глибиною 100-200 м включається в експлуатацію тільки в опалювальний період.

У циклі ТН холодна вода з температурою 5 ◦ C опускається в міжтрубному просторі свердловини-теплообмінника та відбирає низькопотенційне тепло з навколишньої гірської породи. Далі нагріта залежно від глибини свердловини до температури 10–15 ◦ C вода піднімається центральною колоною труб на поверхню. Для запобігання зворотному відтоку тепла центральна колона зовні теплоізольована. На поверхні вода зі свердловини надходить у випарник ТН, де відбувається нагрівання та випаровування низькокиплячого робочого агента. Після випарника охолоджена вода знову прямує у свердловину. За опалювальний період при постійній циркуляції води у свердловині відбувається поступове охолодження гірської породи навколо свердловини.

Розрахункові дослідження показують, що радіус фронту охолодження за опалювальний період може досягати 5-7 м. У міжопалювальний період, коли система опалення відключається, відбувається часткове (до 70%) відновлення температурного поля навколо свердловини за рахунок припливу тепла від порід поза зоною охолодження; досягти повного відновлення температурного поля навколо свердловини за час її простою не вдається.

Сонячні колектори встановлюються з розрахунку для зимового періодуексплуатації системи, коли сонячне сяйво мінімальне. У літній період частина гарячої води з бака-акумулятора спрямовується в свердловину для відновлення температури в гірській породі навколо свердловини.

У міжопалювальний період вентилі 13 і 14 закриті, і при відкритих вентилях 15 і 16 гаряча вода з бака акумулятора циркуляційним насосом закачується в міжтрубний простір свердловини, де в міру спуску відбувається теплообмін з гірською породою, що оточує свердловину. Далі охолоджена вода центральною теплоізольованої колони направляється назад в бак-акумулятор. В опалювальний період навпаки вентилі 13 та 14 відкриті, а вентилі 15 та 16 закриті.

У запропонованій технологічній системі потенціал сонячної енергії використовується для нагрівання води в системі гарячого водопостачання та гірських порід навколо свердловини в системі низькотемпературного опалення. Регенерація тепла в гірській породі дозволяє експлуатувати систему теплопостачання економічно оптимальному режимі.

Сонячні теплові електростанції

Сонце - значне джерело енергії на планеті Земля. Сонячна енергетика часто-густо стає предметом найрізноманітніших дискусій. Як тільки з'являється проект нової сонячної електростанції, виникають питання про ефективність, потужність, обсяги інвестованих коштів та терміни окупності.

Є вчені, які бачать у сонячних теплових електростанціях загрозу для довкілля. Дзеркала, що використовуються в теплових сонячних електростанціях, дуже сильно нагрівають повітря, що призводить до зміни клімату і до смерті птахів, що пролітають повз. Незважаючи на це, останніми роками сонячні теплові електростанціїнабувають все більшого поширення. В 1984 вступила в дію перша сонячна електростанція біля каліфорнійського міста Крамер Джанкшен в пустелі Мохабе (рис. 6.1). Станція отримала назву Solar Energy Generating System або скорочено SEGS.

Рис. 6.1. Сонячна електростанція у пустелі Мохабе

На даній електростанції сонячну радіацію використовують для отримання пари, яка обертає турбіну та виробляє електроенергію. Виробництво сонячної теплової електроенергії у великих масштабах є досить конкурентоспроможним. В даний час енергокомпаніями США вже збудовані сонячні теплові електростанції загальною встановленою потужністю понад 400 МВт, які забезпечують електрикою 350 000 осіб та заміщають 2,3 млн барелів нафти на рік. Дев'ять електростанцій, що розташовані в пустелі Мохабе, мають 354 МВт встановленої потужності. В інших регіонах світу також незабаром мають розпочати проекти з використання сонячного тепла для вироблення електроенергії. Індія, Єгипет, Марокко та Мексика розробляють відповідні програми. Ґранти для їх фінансування надає Глобальна програма захисту навколишнього середовища (GEF). У Греції, Іспанії та США нові проекти розробляються незалежними виробниками електроенергії.

За способом виробництва тепла сонячні теплові електростанції поділяють на сонячні концентратори (дзеркала) та сонячні ставки.

Сонячні концентратори

Теплові сонячні електростанції концентрують сонячну енергію за допомогою лінз та рефлекторів. Так як це тепло можна зберігати, такі станції можуть виробляти електрику в міру потреби, вдень і вночі, у будь-яку погоду. Великі дзеркала- З точковим або лінійним фокусом - концентрують сонячні промені настільки, що вода перетворюється на пару, виділяючи при цьому достатньо енергії для того, щоб обертати турбіну. Ці системи можуть перетворювати сонячну енергію на електрику з ККД близько 15%. Всі теплові електростанції, крім сонячних ставків, для досягнення високих температур застосовують концентратори, що відбивають світло Сонця з більшої поверхні на меншу поверхню приймача. Зазвичай така система складається з концентратора, приймача, теплоносія, акумулюючої системи та системи передачі енергії. Сучасні технологіївключають параболічні концентратори, сонячні параболічні дзеркала та геліоенергетичні установки баштового типу. Їх можна комбінувати з установками, що спалюють викопне паливо, а в деяких випадках адаптувати для акумуляції тепла. Основна перевага такої гібридизації та теплоакумуляції — це те, що така технологія може забезпечувати диспетчеризацію виробництва електрики, тобто вироблення електроенергії може проводитись у періоди, коли вона потребує. Гібридизація та акумулювання тепла можуть підвищити економічну цінність виробленої електрики та знизити її середню вартість.

Сонячні установки з параболічним концентратором

У деяких теплових сонячних електростанціях використовуються параболічні дзеркала, які концентрують сонячне світло на приймальних трубках, що містять рідину-теплоносій. Ця рідина нагрівається до 400 ºC і прокачується через ряд теплообмінників; при цьому виробляється перегріта пара, що приводить у рух звичайний турбогенератор для виробництва електрики. Для зниження теплових втрат приймальну трубку може оточувати прозора скляна трубка, вміщена вздовж фокусної лінії циліндра. Як правило, такі установки включають одновісні або двовісні системи стеження за Сонцем. В окремих випадках вони є стаціонарними (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Сонячна установка з параболічним концентратором

Оцінки даної технології показують більш високу вартість електроенергії, що виробляється, ніж у інших сонячних теплових електростанцій. Це пояснюється низькою концентрацією сонячного випромінювання, нижчими температурами. Однак, за умови накопичення досвіду експлуатації, покращення технології та зниження експлуатаційних витрат параболічні концентратори можуть бути найменш дорогою та найнадійнішою технологією найближчого майбутнього.

Сонячна електростанція тарілчастого типу

Сонячні установки тарілчастого типу є батареєю параболічних тарілкових дзеркал схожих формою з супутниковою тарілкою, які фокусують сонячну енергію на приймачі, розташовані у фокусній точці кожної тарілки (рис. 6.3). Рідина у приймачі нагрівається до 1000 ºС і безпосередньо застосовується для виробництва електрики у невеликому двигуні та генераторі, з'єднаному з приймачем.

Рис. 6.3. Сонячна установка тарілчастого типу

Висока оптична ефективність та малі початкові витрати роблять системи дзеркал/двигунів найефективнішими з усіх геліотехнологій. Системі з двигуна Стірлінга та параболічного дзеркала належить світовий рекорд щодо ефективності перетворення сонячної енергії на електрику. У 1984 році на Ранчо Міраж в штаті Каліфорнія вдалося досягти практичного ККД 29%. Завдяки модульному проектування, такі системи являють собою оптимальний варіант задоволення потреб в електроенергії як для автономних споживачів, так і для гібридних, що працюють на загальну мережу.

Сонячні електростанції баштового типу

Сонячні електростанції баштового типу з центральним приймачем Сонячні електростанції баштового типу з центральним приймачем використовують обертове поле відбивачів-геліостатів. Вони фокусують сонячне світло на центральний приймач, споруджений на верху вежі, який поглинає теплову енергію та приводить у дію турбогенератор (рис. 6.4, рис. 6.5).

Рис. 6.4. Сонячна електростанція баштового типу із центральним приймачем

Двовісна система стеження, що керується комп'ютером, встановлює геліостати так, щоб відбиті сонячні промені були нерухомі і завжди падали на приймач. Рідина, що циркулює в приймачі, переносить тепло до теплового акумулятора у вигляді пари. Пара обертає турбіну для вироблення електроенергії, або безпосередньо використовується у промислових процесах. Температури приймача досягають від 500 до 1500 ºC. Завдяки акумулюванню тепла баштові електростанції стали унікальною геліотехнологією, що дозволяє виробляти електроенергію за заданим графіком.

Рис. 6.5. Сонячна баштова електростанція «Solar Two» у Каліфорнії

Сонячні ставки

Ні фокусуючі дзеркала, ні сонячні фотоелементи не можуть виробляти енергію вночі. Для цього сонячну енергію, накопичену вдень, потрібно зберігати в теплоакумулюючих баках. Цей процес природно відбувається у так званих сонячних ставках (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема влаштування сонячного ставка
1. Висока концентрація солі. 2. Середній шар. 3. Низька концентрація солі. 4. Холодна вода «в» та гаряча вода «із»

Сонячні ставки мають високу концентрацію солі у придонних шарах води, неконвективний середній шар води, у якому концентрація солі зростає з глибиною та конвекційний шар із низькою концентрацією солі – на поверхні. Сонячне світло падає на поверхню ставка, і тепло утримується в нижніх шарах води завдяки високій концентрації солі. Вода високої солоності, нагріта поглиненою дном ставка сонячною енергією, не може піднятися через свою високу щільність. Вона залишається біля дна ставка, поступово нагріваючись, доки майже не закипає. Гарячий придонний розсіл використовується вдень або вночі як джерело тепла, завдяки якому особлива турбіна з органічним теплоносієм може виробляти електрику. Середній шар сонячного ставка виступає як теплоізоляція, перешкоджаючи конвекції і втрат тепла з дна на поверхню. Різниця температур на дні та на поверхні води ставка достатня для того, щоб привести в дію генератор. Теплоносій, пропущений трубами через нижній шар води, подається далі в замкнуту систему Ренкина, в якій обертається турбіна для виробництва електрики.

Переваги та недоліки сонячних теплових електростанцій

Сонячні електростанції баштового типу з центральним приймачем і сонячні електростанції з параболічними концентраторами оптимально працюють у складі великих, з'єднаних з мережею електростанцій потужністю 30-200 МВт, тоді як сонячні електростанції тарілчастого типу складаються з модулів і можуть використовуватися як автономних установках, і групами загальною потужністю в кілька мегават.

Таблиця 6.1 Характеристики сонячних теплових електростанцій

Сонячні параболічні концентратори — на сьогоднішній день найбільш розвинена із сонячних енергетичних технологій і саме вони, ймовірно, будуть використовуватися в найближчій перспективі. Електростанції баштового типу з центральним приймачем завдяки своїй ефективній теплоакумулюючій здатності також можуть стати сонячними електростанціями недалекого майбутнього. Модульний характер установок тарілчастого типу дозволяє використовувати їх у невеликих установках. Сонячні електростанції баштового типу з центральним приймачем та установки тарілчастого типу дозволяють досягти більш високих значень ККД перетворення сонячної енергії на електричну за меншої вартості, ніж у електростанцій із сонячними параболічними концентраторами. У табл. 6.1 наведено основні характеристики трьох варіантів сонячної теплової електрогенерації.