Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời thụ động. Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời hiện đại Các loại sưởi ấm sử dụng các nguồn thay thế

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời

4.1. Phân loại và các yếu tố chính của hệ thống năng lượng mặt trời

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời là hệ thống sử dụng bức xạ mặt trời làm nguồn nhiệt năng. Sự khác biệt đặc trưng của chúng so với các hệ thống sưởi nhiệt độ thấp khác là sử dụng một yếu tố đặc biệt - bộ thu năng lượng mặt trời, được thiết kế để thu bức xạ mặt trời và chuyển nó thành năng lượng nhiệt.

Theo phương pháp sử dụng bức xạ mặt trời, hệ thống sưởi nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời được chia thành thụ động và chủ động.

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời được gọi là thụ động, trong đó bản thân tòa nhà hoặc các hàng rào riêng lẻ của nó (tòa nhà bộ thu, tường bộ thu, mái bộ thu, v.v.) đóng vai trò như một phần tử nhận bức xạ mặt trời và chuyển nó thành nhiệt (Hình 4.1.1)) .

Cơm. 4.1.1 Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời nhiệt độ thấp thụ động "bức tường thu": 1 - tia nắng mặt trời; 2 - màn hình mờ; 3 - van điều tiết không khí; 4 - không khí được đốt nóng; 5 - không khí được làm mát từ phòng; 6 - bức xạ nhiệt sóng dài riêng của mảng tường; 7 - bề mặt nhận tia đen của tường; 8 - rèm.

Hệ thống sưởi nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời được gọi là hoạt động, trong đó bộ thu năng lượng mặt trời là một thiết bị riêng biệt độc lập không liên quan đến tòa nhà. Các hệ thống năng lượng mặt trời đang hoạt động có thể được chia nhỏ:

theo mục đích (cung cấp nước nóng, hệ thống sưởi ấm, hệ thống kết hợp cung cấp nhiệt và lạnh);

theo loại chất làm mát được sử dụng (chất lỏng - nước, chất chống đông và không khí);

theo thời gian làm việc (quanh năm, theo mùa);

theo giải pháp kỹ thuật của các phương án (một-, hai-, đa vòng).

Nước là chất làm mát sử dụng nhiều nhiệt và có sẵn rộng rãi. Tuy nhiên, ở nhiệt độ dưới 0 ° C cần phải thêm chất lỏng chống đông. Ngoài ra, phải tính đến việc nước bão hòa oxy gây ăn mòn đường ống và thiết bị. Nhưng mức tiêu thụ kim loại trong các hệ thống năng lượng mặt trời dưới nước thấp hơn nhiều, điều này góp phần lớn vào việc sử dụng chúng rộng rãi hơn.

Hệ thống năng lượng mặt trời nước nóng theo mùa thường là hệ thống đơn mạch và hoạt động vào mùa hè và các tháng chuyển tiếp, trong thời gian có nhiệt độ bên ngoài dương. Chúng có thể có nguồn nhiệt bổ sung hoặc không có nguồn nhiệt này, tùy thuộc vào mục đích của đối tượng được bảo dưỡng và điều kiện hoạt động.

Hệ thống năng lượng mặt trời để sưởi ấm các tòa nhà thường là mạch kép hoặc thường là đa mạch và các chất mang nhiệt khác nhau có thể được sử dụng cho các mạch khác nhau (ví dụ: dung dịch nước của chất lỏng chống đông trong mạch năng lượng mặt trời, nước trong mạch trung gian và không khí trong một mạch tiêu dùng).

Hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp quanh năm cho các mục đích cung cấp nhiệt và lạnh cho các tòa nhà là đa mạch và bao gồm một nguồn nhiệt bổ sung dưới dạng máy phát nhiệt truyền thống chạy bằng nhiên liệu hữu cơ hoặc máy biến nhiệt.

Sơ đồ hệ thống sưởi năng lượng mặt trời được thể hiện trong Hình 4.1.2. Nó bao gồm ba mạch tuần hoàn:

mạch đầu tiên, bao gồm bộ thu năng lượng mặt trời 1, bơm tuần hoàn 8 và bộ trao đổi nhiệt chất lỏng 3;

mạch thứ hai, bao gồm một bể chứa 2, một máy bơm tuần hoàn 8 và một bộ trao đổi nhiệt 3;

mạch thứ ba, bao gồm một bể chứa 2, một máy bơm tuần hoàn 8, một bộ trao đổi nhiệt nước-không khí (bộ gia nhiệt) 5.

Cơm. 4.1.2. Sơ đồ hệ thống sưởi năng lượng mặt trời: 1 - bộ thu năng lượng mặt trời; 2 - thùng chứa; 3 - thiết bị trao đổi nhiệt; 4 - tòa nhà; 5 - lò sưởi; 6 - kỹ thuật của hệ thống sưởi ấm; 7 - hệ thống cấp nước nóng dự phòng; 8 - bơm tuần hoàn; 9 - quạt.

Để sưởi ấm, nước từ bể chứa 2 được cung cấp bởi máy bơm của mạch thứ ba 8 đến bộ gia nhiệt 5, qua đó không khí được đi qua với sự trợ giúp của quạt 9 và sau khi nóng lên, đi vào tòa nhà 4. Trong không có bức xạ mặt trời hoặc thiếu năng lượng nhiệt được tạo ra bởi các bộ thu năng lượng mặt trời, công việc bật dự phòng 6.

Việc lựa chọn và bố trí các phần tử của hệ thống cung cấp nhiệt năng lượng mặt trời trong từng trường hợp được xác định bởi các yếu tố khí hậu, mục đích của cơ sở, phương thức tiêu thụ nhiệt và các chỉ tiêu kinh tế.

4.2. Tập trung máy thu năng lượng mặt trời

Máy thu năng lượng mặt trời tập trung là gương cầu hoặc gương parabol (Hình 4.2.1), được làm bằng kim loại đánh bóng, ở tâm điểm đặt bộ phận thu nhiệt (nồi hơi năng lượng mặt trời), qua đó chất làm mát lưu thông. Nước hoặc chất lỏng không đóng băng được sử dụng như một chất mang nhiệt. Khi sử dụng nước làm chất mang nhiệt vào ban đêm và trong thời gian lạnh, hệ thống phải được làm sạch để ngăn không cho nước đóng băng.

Để đảm bảo hiệu quả cao của quá trình thu nhận và chuyển đổi bức xạ mặt trời, bộ thu năng lượng mặt trời tập trung phải được hướng thẳng vào Mặt trời một cách liên tục. Với mục đích này, bộ thu năng lượng mặt trời được trang bị hệ thống theo dõi, bao gồm cảm biến hướng mặt trời, bộ chuyển đổi tín hiệu điện tử, động cơ điện có hộp số để quay cấu trúc bộ thu năng lượng mặt trời theo hai mặt phẳng.

Cơm. 4.2.1. Bộ thu năng lượng mặt trời tập trung: a - bộ tập trung hình parabol; b - bộ tập trung máng hình parabol; 1 - tia nắng mặt trời; 2 - phần tử thu nhiệt (bộ thu năng lượng mặt trời); 3 - gương soi; 4 - cơ cấu dẫn động hệ thống theo dõi; 5 - đường ống cung cấp và xả chất làm mát.

Ưu điểm của hệ thống có bộ thu năng lượng mặt trời tập trung là khả năng tạo nhiệt ở nhiệt độ tương đối cao (lên đến 100 ° C) và thậm chí cả hơi nước. Những bất lợi bao gồm chi phí xây dựng cao; nhu cầu làm sạch liên tục các bề mặt phản xạ khỏi bụi; chỉ hoạt động vào ban ngày, và do đó, nhu cầu về pin lớn; tiêu thụ năng lượng cao cho bộ truyền động của hệ thống theo dõi chuyển động của Mặt trời, tương xứng với năng lượng được tạo ra. Những thiếu sót này cản trở việc sử dụng rộng rãi các hệ thống sưởi năng lượng mặt trời nhiệt độ thấp tích cực với các bộ thu năng lượng mặt trời tập trung. Gần đây, máy thu năng lượng mặt trời phẳng thường được sử dụng nhiều nhất cho các hệ thống sưởi nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời.

4.3. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng

Bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng - thiết bị có tấm hấp thụ cấu hình phẳng và lớp cách nhiệt phẳng trong suốt để hấp thụ năng lượng bức xạ năng lượng mặt trời và chuyển nó thành nhiệt.

Bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng (Hình 4.3.1) bao gồm thủy tinh hoặc lớp phủ nhựa(đơn, đôi, ba), tấm cảm ứng nhiệt sơn đen ở mặt hướng ra nắng, mặt sau cách nhiệt và vỏ (kim loại, nhựa, kính, gỗ).

Cơm. 4.3.1. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng: 1 - tia mặt trời; 2 - mạ băng; 3 - thân máy; 4 - bề mặt nhận nhiệt; 5 - cách nhiệt; 6 - chất làm kín; 7 - bức xạ sóng dài riêng của tấm thu nhiệt.

Dưới tác dụng của bức xạ mặt trời, các tấm thu nhiệt được nung nóng đến nhiệt độ 70-80 ° C, vượt quá nhiệt độ môi trường, dẫn đến tăng truyền nhiệt đối lưu của tấm ra môi trường và bức xạ của chính tấm bầu trời. Để đạt được nhiều hơn nhiệt độ cao chất làm mát, bề mặt của tấm được bao phủ bởi các lớp chọn lọc quang phổ tích cực hấp thụ bức xạ sóng ngắn của mặt trời và giảm bức xạ nhiệt của chính nó trong phần sóng dài của quang phổ. Các cấu trúc như vậy dựa trên “niken đen”, “chrome đen”, oxit đồng trên nhôm, oxit đồng trên đồng và các cấu trúc khác rất đắt tiền (chi phí của chúng thường tương xứng với chi phí của chính bảng nhận nhiệt). Một cách khác để cải thiện hiệu suất của bộ thu tấm phẳng là tạo chân không giữa tấm hấp thụ nhiệt và lớp cách nhiệt trong suốt để giảm thất thoát nhiệt (bộ thu năng lượng mặt trời thế hệ thứ tư).

Kinh nghiệm vận hành các hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời dựa trên các bộ thu năng lượng mặt trời đã cho thấy một số hạn chế đáng kể của các hệ thống như vậy. Trước hết, đây là chi phí cao của các nhà sưu tập. Tăng hiệu quả của công việc của họ do các lớp phủ chọn lọc, tăng độ trong suốt của kính, sơ tán, cũng như thiết bị của hệ thống làm mát hóa ra không có lợi về mặt kinh tế. Một bất lợi đáng kể là yêu cầu phải thường xuyên lau kính khỏi bụi, điều này thực tế không loại trừ việc sử dụng bộ thu gom trong các khu công nghiệp. Trong quá trình hoạt động lâu dài của các bộ thu năng lượng mặt trời, đặc biệt là trong điều kiện mùa đông, chúng thường xuyên bị hỏng do sự mở rộng không đồng đều của các vùng được chiếu sáng và vùng tối của kính do vi phạm tính toàn vẹn của kính. Cũng có một tỷ lệ lớn lỗi bộ thu gom trong quá trình vận chuyển và lắp đặt. Một nhược điểm đáng kể của hệ thống có bộ thu là tải không đồng đều trong năm và ngày. Kinh nghiệm vận hành của các nhà thu gom trong điều kiện của châu Âu và phần châu Âu của Nga với tỷ lệ bức xạ khuếch tán cao (lên đến 50%) cho thấy không thể tạo ra một hệ thống cung cấp và sưởi ấm quanh năm tự trị. Tất cả các hệ thống năng lượng mặt trời có bộ thu năng lượng mặt trời ở vĩ độ trung bình yêu cầu lắp đặt các bể chứa lớn và đưa thêm nguồn năng lượng vào hệ thống, điều này làm giảm hiệu quả kinh tế của việc sử dụng chúng. Về vấn đề này, tốt nhất là sử dụng chúng ở những khu vực có cường độ bức xạ mặt trời trung bình cao (không thấp hơn 300 W / m2).

Cơ hội tiềm năng cho việc sử dụng năng lượng mặt trời ở Ukraine

Trên lãnh thổ Ukraine, năng lượng bức xạ mặt trời cho một ngày ánh sáng trung bình hàng năm trung bình là 4 kW ∙ giờ trên 1 m mét vuông. Điều này cũng giống như ở Trung Âu, nơi việc sử dụng năng lượng mặt trời phổ biến nhất.

Ngoài điều kiện khí hậu thuận lợi Ukraine còn có đội ngũ cán bộ khoa học có trình độ cao trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời. Sau sự trở lại của GS. Boyko B.T. từ UNESCO, nơi ông đứng đầu chương trình quốc tế của UNESCO về việc sử dụng năng lượng mặt trời (1973-1979), ông bắt đầu hoạt động khoa học và tổ chức chuyên sâu tại Viện Bách khoa Kharkov (nay là Đại học Kỹ thuật Quốc gia. - KhPI) về việc phát triển một lĩnh vực khoa học và giáo dục mới về khoa học vật liệu cho năng lượng mặt trời. Vào năm 1983, theo lệnh của Bộ Giáo dục Đại học Liên Xô số N 885 ngày 13 tháng 7 năm 1983, tại Viện Bách khoa Kharkov, lần đầu tiên trong thực hành giáo dục đại học ở Liên Xô, việc đào tạo các nhà vật lý có cấu trúc trong lĩnh vực khoa học vật liệu cho năng lượng mặt trời trong khuôn khổ của chuyên ngành "Vật lý kim loại" bắt đầu. Điều này đã đặt nền tảng cho sự ra đời vào năm 1988 của khoa tốt nghiệp “Khoa học Vật liệu Vật lý cho Điện tử và Năng lượng Mặt trời” (FMEG). Cục FMEG phối hợp với Viện Nghiên cứu Công nghệ Chế tạo Dụng cụ (Kharkov) trong khuôn khổ chương trình vũ trụ của Ukraine đã tham gia vào việc chế tạo pin mặt trời silicon hiệu quả. 13 - 14% cho tàu vũ trụ Ukraine.

Kể từ năm 1994, Bộ phận FMEG, với sự hỗ trợ của Đại học Stuttgart và Cộng đồng Châu Âu, cũng như Đại học Công nghệ Zurich và Hiệp hội Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ, đã chấp nhận Tham gia tích cực trong nghiên cứu khoa học về sự phát triển của pin mặt trời dạng phim.

Sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời là một cách sưởi ấm cho một tòa nhà dân dụng, ngày càng trở nên phổ biến ở nhiều nước, hầu hết là các nước phát triển trên thế giới. Thành công lớn nhất trong lĩnh vực năng lượng nhiệt mặt trời ngày nay có thể tự hào ở các nước Tây và Trung Âu. Trên lãnh thổ của Liên minh Châu Âu trong thập kỷ qua, đã có mức tăng trưởng hàng năm trong ngành năng lượng tái tạo từ 10-12%. Mức độ phát triển này là một chỉ số rất quan trọng.

đâu thu mặt trơi

Một trong những ứng dụng rõ ràng nhất của năng lượng mặt trời là việc sử dụng nó để làm nóng nước và không khí (làm chất mang nhiệt). Ở những vùng khí hậu có thời tiết lạnh giá phổ biến, để người dân có một kỳ nghỉ thoải mái, việc tính toán và tổ chức hệ thống sưởi cho mỗi công trình nhà ở là bắt buộc. Họ cần có nguồn cung cấp nước nóng cho các nhu cầu khác nhau, bên cạnh đó, các ngôi nhà cũng cần được sưởi ấm. Tất nhiên, sự lựa chọn tốt nhấtở đây sẽ có một ứng dụng của một sơ đồ nơi các hệ thống cung cấp nhiệt tự động hoạt động.

Các doanh nghiệp công nghiệp đòi hỏi khối lượng lớn nước nóng hàng ngày trong quá trình sản xuất. Ví dụ, chúng ta có thể dẫn chứng về nước Úc, nơi gần 20% năng lượng tiêu thụ được dùng để làm nóng chất lỏng truyền nhiệt đến nhiệt độ không quá 100 o C. Vì lý do này, ở một số quốc gia phát triển của phương Tây, và ở phạm vi rộng hơn ở Israel, Bắc Mỹ, Nhật Bản và tất nhiên, ở Úc, việc sản xuất các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời đang được mở rộng rất nhanh chóng.

Trong tương lai gần, việc phát triển năng lượng chắc chắn sẽ được hướng tới việc sử dụng bức xạ mặt trời. Mật độ bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất trung bình là 250 watt trên một mét vuông. Và điều này mặc dù thực tế là hai watt trên một mét vuông là đủ để đáp ứng nhu cầu kinh tế của một người ở các khu vực ít công nghiệp nhất.

Sự khác biệt thuận lợi giữa năng lượng mặt trời và các ngành năng lượng khác sử dụng quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch là tính thân thiện với môi trường của năng lượng nhận được. Hoạt động của thiết bị năng lượng mặt trời không kéo theo việc thải khí độc hại vào bầu khí quyển.

Lựa chọn sơ đồ ứng dụng thiết bị, hệ thống thụ động và chủ động

Có hai phương án sử dụng bức xạ mặt trời làm hệ thống sưởi ấm cho ngôi nhà. Đây là hệ thống chủ động và bị động. Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời thụ động - hệ thống trong đó phần tử trực tiếp hấp thụ bức xạ mặt trời và tạo nhiệt từ nó là cấu trúc của chính ngôi nhà hoặc các bộ phận riêng lẻ của nó. Các yếu tố này có thể là một hàng rào, một mái nhà, các bộ phận riêng biệt của một công trình được xây dựng trên cơ sở một sơ đồ nhất định. Hệ thống bị động không sử dụng các bộ phận chuyển động cơ học.

Các hệ thống đang hoạt động hoạt động trên cơ sở sơ đồ sưởi ấm nhà đối diện, chúng chủ động sử dụng thiết bị cơ khí(máy bơm, động cơ khi sử dụng cũng tính toán công suất cần thiết).

Đơn giản nhất trong thiết kế và ít tốn kém hơn về mặt tài chính khi lắp đặt một mạch là các hệ thống thụ động. Các mạch sưởi ấm như vậy không yêu cầu lắp đặt các thiết bị bổ sung để hấp thụ và phân phối bức xạ mặt trời sau đó trong hệ thống sưởi ấm gia đình. Hoạt động của các hệ thống như vậy dựa trên nguyên tắc sưởi ấm trực tiếp không gian sống trực tiếp thông qua các bức tường truyền sáng đặt ở phía nam. Chức năng sưởi ấm bổ sung được thực hiện bởi các bề mặt bên ngoài của các phần tử hàng rào ngôi nhà, được trang bị một lớp màn hình trong suốt.

Để bắt đầu quá trình chuyển đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, một hệ thống cấu trúc được sử dụng dựa trên việc sử dụng các máy thu năng lượng mặt trời có bề mặt trong suốt, nơi "hiệu ứng nhà kính" đóng vai trò chính, khả năng giữ lại bức xạ nhiệt của kính được sử dụng. , làm tăng nhiệt độ bên trong phòng.

Cần lưu ý rằng việc sử dụng chỉ một trong các loại hệ thống có thể không hoàn toàn hợp lý. Thông thường, một tính toán cẩn thận cho thấy rằng có thể đạt được mức giảm đáng kể thất thoát nhiệt và giảm nhu cầu năng lượng của một tòa nhà thông qua việc sử dụng các hệ thống tích hợp. Công việc tổng thể của cả hệ thống chủ động và thụ động thông qua sự kết hợp của các phẩm chất tích cực sẽ cho hiệu quả tối đa.

Một tính toán hiệu suất thường được sử dụng cho thấy rằng việc sử dụng thụ động bức xạ mặt trời sẽ cung cấp khoảng 14 đến 16 phần trăm nhu cầu sưởi ấm cho ngôi nhà của bạn. Một hệ thống như vậy sẽ là một phần quan trọng của quá trình sinh nhiệt.

Tuy nhiên, bất chấp những phẩm chất tích cực nhất định của các hệ thống thụ động, các khả năng chính để đáp ứng đầy đủ các nhu cầu về nhiệt của tòa nhà vẫn yêu cầu sử dụng thiết bị sưởi chủ động. Các hệ thống có chức năng là hấp thụ, tích tụ và phân phối trực tiếp bức xạ mặt trời.

Lập kế hoạch và tính toán

Tính toán khả năng lắp đặt hệ thống sưởi chủ động sử dụng năng lượng mặt trời (pin mặt trời kết tinh, bộ thu năng lượng mặt trời), tốt nhất là ở giai đoạn thiết kế của tòa nhà. Tuy nhiên, thời điểm này không phải là bắt buộc, việc lắp đặt một hệ thống như vậy cũng có thể thực hiện được trên một nhiệm vụ hiện có, bất kể năm xây dựng của nó (cơ sở để thành công là tính toán chính xác của toàn bộ sơ đồ).

Việc lắp đặt thiết bị được thực hiện ở phía nam của ngôi nhà. Vị trí này tạo điều kiện cho việc hấp thụ tối đa bức xạ mặt trời chiếu vào vào mùa đông. Tế bào quang chuyển đổi năng lượng của mặt trời và được lắp đặt trên một cấu trúc cố định sẽ hiệu quả nhất khi chúng được gắn so với bề mặt trái đất ở một góc bằng vị trí địa lý của tòa nhà được nung nóng. Góc của mái nhà, mức độ quay của ngôi nhà về phía nam - đây là những điểm đáng kể phải được tính đến khi tính toán toàn bộ sơ đồ sưởi ấm.

Tế bào quang năng và bộ thu năng lượng mặt trời phải được lắp đặt càng gần nơi tiêu thụ năng lượng càng tốt. Hãy nhớ rằng bạn xây dựng phòng tắm và nhà bếp càng gần nhau thì lượng nhiệt thất thoát càng ít (trong trường hợp này, bạn có thể sử dụng một bộ thu năng lượng mặt trời để sưởi ấm cả hai phòng). Tiêu chí chính để đánh giá việc lựa chọn thiết bị bạn cần là hiệu quả của nó.

Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời hoạt động được chia thành các nhóm sau theo các tiêu chí sau:

Việc sử dụng một mạch dự phòng;
Tính thời vụ của công việc (cả năm hoặc trong một mùa nhất định);
Mục đích chức năng - hệ thống sưởi, cấp nước nóng và kết hợp;
Chất mang nhiệt được sử dụng là chất lỏng hoặc không khí;
Giải pháp kỹ thuật áp dụng cho số lượng mạch (1, 2 hoặc nhiều hơn).

Dữ liệu kinh tế chung sẽ là yếu tố chính trong việc lựa chọn một trong các loại thiết bị. Một tính toán nhiệt có thẩm quyền của toàn bộ hệ thống sẽ giúp bạn quyết định một cách chính xác. Việc tính toán phải được thực hiện có tính đến các chỉ số của từng phòng cụ thể, nơi có kế hoạch tổ chức sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời và (hoặc) cấp nước nóng. Cần xem xét vị trí của tòa nhà, điều kiện khí hậu tự nhiên, quy mô chi phí của việc di dời tài nguyên năng lượng. Việc tính toán chính xác và lựa chọn thành công phương án tổ chức cung cấp nhiệt là chìa khóa cho tính khả thi kinh tế của việc sử dụng thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời.

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời

Sơ đồ sưởi ấm phổ biến nhất được sử dụng là lắp đặt các bộ thu năng lượng mặt trời, cung cấp sự tích tụ năng lượng hấp thụ trong một vật chứa đặc biệt - một tấm pin.

Cho đến nay, phổ biến nhất là các sơ đồ sưởi ấm hai mạch cho các cơ sở dân cư, trong đó hệ thống cưỡng bức sự lưu thông chất làm mát trong bộ thu. Nguyên tắc hoạt động của nó là như sau. Nước nóng được cung cấp từ điểm cao nhất bể chứa, quá trình xảy ra tự động theo quy luật vật lý. Lạnh nước chảyáp suất thành phần dưới bể, nước này thay thế nước nóng được thu thập ở phần trên của bể, sau đó đi vào hệ thống cấp nước nóng của ngôi nhà để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt và sưởi ấm của nó.

Đối với nhà một gia đình thường lắp đặt bể chứa có dung tích từ 400 đến 800 lít. Để làm nóng vật mang nhiệt có khối lượng như vậy, tùy thuộc vào điều kiện tự nhiên, cần phải tính toán chính xác diện tích bề mặt của tấm thu năng lượng mặt trời. Cũng cần phải biện minh cho việc sử dụng thiết bị một cách tiết kiệm.

Bộ thiết bị tiêu chuẩn để lắp hệ thống sưởi năng lượng mặt trời như sau:

Trực tiếp chính là bộ thu năng lượng mặt trời;
Hệ thống gắn kết (hỗ trợ, dầm, giá đỡ);
bể chứa;
Bể bù giãn nở quá mức của chất mang nhiệt;
Thiết bị điều khiển bơm;
Bơm (bộ van);
Cảm biến nhiệt độ;
Thiết bị trao đổi nhiệt (được sử dụng trong các sơ đồ có khối lượng lớn);
Ống cách nhiệt;
Phụ kiện an toàn và kiểm soát;
Vừa vặn.

Hệ thống dựa trên tấm hấp thụ nhiệt. Các tấm như vậy, như một quy luật, được sử dụng ở giai đoạn xây dựng mới. Để lắp đặt chúng, cần phải xây dựng một cấu trúc đặc biệt được gọi là mái nóng. Điều này có nghĩa là các tấm phải được xây dựng trực tiếp vào cấu trúc mái, đồng thời sử dụng các phần tử mái như các phần tử không thể tách rời của vỏ thiết bị. Việc lắp đặt như vậy sẽ làm giảm chi phí của bạn cho việc tạo ra một hệ thống sưởi ấm, tuy nhiên, nó sẽ đòi hỏi chất lượng cao trong việc chống thấm các mối nối của các thiết bị và mái nhà. Cách lắp đặt thiết bị này sẽ đòi hỏi bạn phải thiết kế và lên kế hoạch cẩn thận cho tất cả các giai đoạn công việc. Cần giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến đường ống, đặt bể chứa, lắp đặt máy bơm, điều chỉnh độ dốc. Sẽ phải giải quyết khá nhiều vấn đề về lắp đặt nếu tòa nhà không quay về hướng Nam một cách thành công nhất.

Nói chung, dự án hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời sẽ khác với những dự án khác ở mức độ này hay mức độ khác. Chỉ không thay đổi nguyên tắc cơ bản các hệ thống. Do đó, không thể đưa ra danh sách chính xác các bộ phận cần thiết để lắp đặt hoàn chỉnh toàn bộ hệ thống, vì trong quá trình lắp đặt có thể phải sử dụng thêm các yếu tố và vật liệu khác.

Hệ thống sưởi bằng chất lỏng

Trong các hệ thống hoạt động trên cơ sở chất mang nhiệt lỏng, nước thông thường được sử dụng làm phương tiện lưu trữ. Sự hấp thụ năng lượng diễn ra trong các bộ thu năng lượng mặt trời phẳng. Năng lượng được lưu trữ trong bể chứa và được sử dụng khi cần thiết.

Để truyền năng lượng từ thiết bị lưu trữ đến tòa nhà, người ta sử dụng bộ trao đổi nhiệt giữa nước với nước hoặc nước với không khí. Hệ thống cung cấp nước nóng được trang bị thêm một bể chứa, được gọi là bể gia nhiệt sơ bộ. Nước được làm nóng trong đó do bức xạ mặt trời và sau đó đi vào máy nước nóng thông thường.

Hệ thống sưởi ấm không khí

Một hệ thống như vậy sử dụng không khí như một chất mang nhiệt. Chất làm mát được làm nóng trong một bộ thu năng lượng mặt trời phẳng, và sau đó không khí được làm nóng đi vào phòng được làm nóng hoặc một thiết bị lưu trữ đặc biệt, nơi năng lượng hấp thụ được lưu trữ trong một vòi phun đặc biệt, được làm nóng bằng không khí nóng đi vào. Nhờ tính năng này, hệ thống tiếp tục cung cấp nhiệt cho ngôi nhà ngay cả vào ban đêm khi không có bức xạ mặt trời.

Hệ thống tuần hoàn cưỡng bức và tự nhiên

Cơ sở của hoạt động của các hệ thống có tuần hoàn tự nhiên là phong trào độc lập chất làm mát. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ tăng, nó mất mật độ và do đó có xu hướng phần trên các thiết bị. Sự khác biệt về áp suất làm cho thiết bị hoạt động.

Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật B.I. Kazandzhan
Viện kỹ thuật điện Matxcova
(Đại học kỹ thuật), Nga
Tạp chí Energia, số 12 năm 2005.

1. Giới thiệu.

Những lý do chính thúc đẩy nhân loại tham gia vào sự phát triển công nghiệp quy mô lớn của các nguồn năng lượng tái tạo là:
- thay đổi khí hậu do sự gia tăng hàm lượng CO2 trong khí quyển;
- Sự phụ thuộc mạnh mẽ của nhiều nước phát triển, đặc biệt là các nước Châu Âu, vào nhập khẩu nhiên liệu;
- Trữ lượng nhiên liệu hóa thạch trên Trái đất có hạn.
Việc hầu hết các nước phát triển trên thế giới ký kết Nghị định thư Kyoto gần đây đã đưa vào chương trình nghị sự về việc tăng tốc phát triển các công nghệ giúp giảm lượng khí thải CO2 ra môi trường. Động lực thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ này không chỉ là nhận thức về mối đe dọa của biến đổi khí hậu và những thiệt hại kinh tế đi kèm với nó, mà còn là thực tế rằng phụ cấp phát thải khí nhà kính đã trở thành một mặt hàng có giá trị rất thực tế. Một trong những công nghệ có thể giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải CO2 là sản xuất nhiệt cấp thấp cho nước nóng, sưởi ấm, điều hòa không khí, công nghệ và các nhu cầu khác sử dụng năng lượng mặt trời. Hiện tại, hơn 40% năng lượng cơ bản mà nhân loại tiêu thụ thuộc về những nhu cầu này, và chính trong lĩnh vực này, công nghệ năng lượng mặt trời là công nghệ hoàn thiện nhất và được chấp nhận về mặt kinh tế đối với nhiều công dụng thực tế. Đối với nhiều quốc gia, việc sử dụng hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời cũng là một cách để giảm sự phụ thuộc của nền kinh tế vào nhiên liệu hóa thạch nhập khẩu. Nhiệm vụ này đặc biệt phù hợp với các quốc gia thuộc Liên minh Châu Âu, có nền kinh tế đã phụ thuộc 50% vào nhập khẩu các nguồn năng lượng hóa thạch và đến năm 2020, sự phụ thuộc này có thể tăng lên 70%, đây là một mối đe dọa đối với sự độc lập kinh tế của khu vực này. .

2. Quy mô sử dụng hệ thống sưởi năng lượng mặt trời

Về quy mô sử dụng hiện đại năng lượng mặt trời cho nhu cầu sưởi ấm được chứng minh qua các số liệu thống kê sau đây.
Tổng diện tích lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trời ở các nước EU đến cuối năm 2004 đạt 13.960.000 m2 và trên thế giới đã vượt 150.000.000 m2. Mức tăng diện tích thu năng lượng mặt trời hàng năm ở châu Âu trung bình 12%, và ở một số quốc gia đạt mức 20-30% hoặc hơn. Xét về số lượng bộ thu năng lượng trên một nghìn dân, Síp đứng đầu thế giới, với 90% số nhà được lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời (có 615,7 m2 bộ thu năng lượng mặt trời trên một nghìn dân), tiếp theo là Israel, Hy Lạp và Áo. Dẫn đầu tuyệt đối về diện tích lắp đặt bộ thu gom ở châu Âu là Đức - 47%, tiếp theo là Hy Lạp - 14%, Áo - 12%, Tây Ban Nha - 6%, Ý - 4%, Pháp - 3%. Các nước châu Âu là những nước đi đầu trong việc phát triển các công nghệ mới cho hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, nhưng họ còn kém xa Trung Quốc trong việc đưa vào vận hành các hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời mới. Số liệu thống kê về sự gia tăng số lượng các bộ thu năng lượng mặt trời được đưa vào vận hành trên thế giới trong năm 2004 cho thấy sự phân bổ như sau: Trung Quốc - 78%, Châu Âu - 9%, Thổ Nhĩ Kỳ và Israel - 8%, các nước khác - 5%.
Theo đánh giá chuyên môn của ESTIF (Liên đoàn Công nghiệp Nhiệt Mặt trời Châu Âu), tiềm năng kinh tế và kỹ thuật cho việc sử dụng các tấm thu năng lượng mặt trời trong các hệ thống cung cấp nhiệt ở các nước EU là hơn 1,4 tỷ m2 có khả năng sản xuất hơn 680.000 GWh. nhiệt năng mỗi năm. Các kế hoạch cho ngắn hạn bao gồm việc lắp đặt 100.000.000 m2 nhà thu gom ở khu vực này vào năm 2010.

3. Bộ thu năng lượng mặt trời - yếu tố chính của hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời

Bộ thu năng lượng mặt trời là thành phần chính của bất kỳ hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời nào. Nó diễn ra trong đó quá trình chuyển đổi quang năng thành nhiệt năng. Hiệu quả của toàn bộ hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời và hiệu suất kinh tế của nó phụ thuộc vào sự hoàn thiện kỹ thuật và chi phí của nó.
Trong hệ thống cung cấp nhiệt, hai loại bộ thu năng lượng mặt trời chủ yếu được sử dụng: phẳng và chân không.

Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng bao gồm một vỏ, một vỏ trong suốt, bộ hấp thụ và cách nhiệt (hình 1).

Quả sung. 1 Cấu tạo điển hình của bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng

Thân là cấu trúc hỗ trợ chính. Vỏ trong suốt cho phép bức xạ mặt trời đi vào bộ thu và bảo vệ bộ hấp thụ khỏi va đập. môi trường bên ngoài và giảm thất thoát nhiệt từ mặt trước của bộ thu nhiệt. Chất hấp thụ hấp thụ bức xạ mặt trời và truyền nhiệt cho chất làm mát thông qua các ống nối với bề mặt nhận nhiệt của nó. Khả năng cách nhiệt giúp giảm thất thoát nhiệt từ mặt sau và mặt bên của tấm thu nhiệt.
Bề mặt nhận nhiệt của bộ hấp thụ có lớp phủ chọn lọc có hệ số hấp thụ cao trong vùng nhìn thấy và gần hồng ngoại của quang phổ mặt trời và độ phát xạ thấp trong vùng của quang phổ tương ứng với nhiệt độ hoạt động của bộ thu. Các bộ thu hiện đại tốt nhất có hệ số hấp thụ trong khoảng 94-95%, độ phát xạ 3-8% và hiệu suất trong phạm vi nhiệt độ hoạt động điển hình cho hệ thống sưởi ấm vượt quá 50% Lớp phủ hấp thụ màu đen không chọn lọc trong các bộ thu hiện đại ít được sử dụng do tổn thất bức xạ cao. Hình 2 cho thấy các ví dụ về bộ sưu tập tấm phẳng hiện đại.

Trong bộ thu chân không (Hình 3), mỗi phần tử của bộ hấp thụ được đặt trong một ống thủy tinh riêng biệt, bên trong tạo ra chân không, do đó sự mất nhiệt do đối lưu và dẫn nhiệt của không khí gần như bị triệt tiêu hoàn toàn. Lớp phủ chọn lọc trên bề mặt của chất hấp thụ giúp giảm thiểu thất thoát bức xạ. Kết quả là, hiệu quả của bộ thu chân không cao hơn đáng kể so với bộ sưu tập phẳng, và chi phí của nó cao hơn nhiều.

một b

Hình 2 Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng

a) Công ty Wagner, b) Công ty Feron

một b

Hình 3 Tay cầm chân không Wissmann
một) hình thức chung, b) sơ đồ hệ thống dây điện

3. Sơ đồ nhiệt của hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời

Trong thực tế thế giới, các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời nhỏ là phổ biến nhất. Theo quy định, các hệ thống như vậy bao gồm các bộ thu năng lượng mặt trời với tổng diện tích từ 2-8m2, một bể tích lũy, một được xác định bởi diện tích sử dụng của các bộ thu, bơm tuần hoàn hoặc các máy bơm (tùy thuộc vào loại sơ đồ nhiệt) và các thiết bị phụ trợ khác. TẠI hệ thống nhỏ, sự lưu thông của chất làm mát giữa bộ thu và bể chứa có thể được thực hiện mà không cần máy bơm, do đối lưu tự nhiên (nguyên lý thermosyphon). Trong trường hợp này, bể chứa phải được bố trí phía trên bộ thu. Kiểu lắp đặt đơn giản nhất như vậy là một bộ thu được ghép nối với một bình tích điện nằm ở đầu trên của bộ thu (Hình 4). Các hệ thống kiểu này thường được sử dụng cho nhu cầu nước nóng trong các ngôi nhà nhỏ kiểu tiểu gia đình một gia đình.

Hình 4 Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời Thermosyphon.

Trên hình. 5 cho thấy một ví dụ về một hệ thống hoạt động lớn hơn, trong đó bể chứa được đặt bên dưới các bộ thu và chất làm mát được tuần hoàn bằng máy bơm. Hệ thống như vậy được sử dụng cho các nhu cầu và cung cấp nước nóng và sưởi ấm. Theo nguyên tắc, trong các hệ thống hoạt động liên quan đến việc bao phủ một phần của tải sưởi, nguồn nhiệt dự phòng được cung cấp bằng cách sử dụng điện hoặc khí đốt. .

Hình 5 Sơ đồ nhiệt của hệ thống sưởi và nước nóng năng lượng mặt trời đang hoạt động

Một hiện tượng tương đối mới trong thực hành sử dụng sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời là những hệ thống lớn có khả năng đáp ứng nhu cầu cấp nước nóng và sưởi ấm các tòa nhà chung cư hoặc toàn bộ khu dân cư. Các hệ thống như vậy sử dụng lưu trữ nhiệt hàng ngày hoặc theo mùa.
Tích lũy hàng ngày ngụ ý khả năng hệ thống sử dụng nhiệt tích lũy trong vài ngày, theo mùa - trong vài tháng.
Để lưu trữ nhiệt theo mùa, người ta sử dụng các bể chứa lớn dưới lòng đất chứa đầy nước, trong đó tất cả nhiệt thừa nhận được từ các bộ thu nhiệt trong mùa hè sẽ được thải ra ngoài. Một lựa chọn khác để tích tụ theo mùa là làm nóng đất bằng cách sử dụng các giếng có đường ống để nước nóng luân chuyển từ các bộ thu gom.

Bảng 1. cho thấy các thông số chính của hệ thống năng lượng mặt trời lớn tích trữ nhiệt hàng ngày và theo mùa so với hệ thống năng lượng mặt trời nhỏ cho một ngôi nhà một gia đình.

Loại hệ thống
Diện tích thu gom trên người m2 / người
Thể tích tích tụ nhiệt, l / m2kol
Tỷ lệ phụ tải cấp nước nóng được bao phủ bởi năng lượng mặt trời%
Tỷ trọng tổng phụ tải được bao phủ bởi năng lượng mặt trời
Chi phí nhiệt mặt trời cho các điều kiện của Đức Euro / kWh

Gần một nửa năng lượng được tạo ra được sử dụng để đốt nóng không khí. Mặt trời cũng chiếu sáng vào mùa đông, nhưng bức xạ của nó thường bị đánh giá thấp.

Vào một buổi chiều tháng mười hai, không xa Zurich, nhà vật lý A. Fischer đang tạo ra hơi nước; đây là khi mặt trời ở điểm thấp nhất và nhiệt độ không khí là 3 ° C. Một ngày sau, một bộ thu năng lượng mặt trời có diện tích 0,7 m2 đã đun nóng 30 lít nước lạnh từ nguồn cung cấp nước trong vườn lên + 60 ° C.

Năng lượng mặt trời vào mùa đông có thể dễ dàng được sử dụng để sưởi ấm không khí trong nhà. Vào mùa xuân và mùa thu, khi trời thường có nắng nhưng lạnh, hệ thống sưởi không gian bằng năng lượng mặt trời sẽ cho phép bạn không phải bật hệ thống sưởi chính. Điều này làm cho nó có thể tiết kiệm một số năng lượng và do đó tiền bạc. Đối với những ngôi nhà hiếm khi được sử dụng, hoặc đối với nhà ở theo mùa (nhà gỗ, nhà gỗ), hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời đặc biệt hữu ích vào mùa đông, bởi vì. loại bỏ sự làm mát quá mức của các bức tường, ngăn ngừa sự phá hủy do ngưng tụ hơi ẩm và nấm mốc. Như vậy, cơ bản giảm được chi phí hoạt động hàng năm.

Khi sưởi ấm các ngôi nhà với sự trợ giúp của nhiệt mặt trời, cần phải giải quyết vấn đề cách nhiệt của các cơ sở dựa trên các yếu tố kiến trúc và kết cấu, tức là Khi tạo ra một hệ thống sưởi năng lượng mặt trời hiệu quả, nên xây dựng những ngôi nhà có đặc tính cách nhiệt tốt.

Chi phí nhiệt
Sưởi ấm phụ trợ

Đóng góp năng lượng mặt trời để sưởi ấm gia đình
Thật không may, khoảng thời gian truyền nhiệt từ Mặt trời không phải lúc nào cũng trùng pha với thời kỳ xuất hiện các chất tải nhiệt.

Hầu hết năng lượng mà chúng ta sử dụng trong thời kỳ mùa hè bị mất do không có nhu cầu liên tục về nó (trên thực tế, hệ thống thu ở một mức độ nào đó là một hệ thống tự điều chỉnh: khi nhiệt độ hạt tải điện đạt đến trạng thái cân bằng giá trị, sự hấp thụ nhiệt dừng lại, vì tổn thất nhiệt từ bộ thu năng lượng mặt trời bằng với nhiệt cảm nhận).

Lượng nhiệt hữu ích được hấp thụ bởi bộ thu năng lượng mặt trời phụ thuộc vào 7 thông số:

1. lượng năng lượng mặt trời đến;
2. tổn thất quang trong cách điện trong suốt;
3. đặc tính hấp thụ của bề mặt nhận nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời;
4. hiệu suất truyền nhiệt từ bộ tản nhiệt (từ bề mặt nhận nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời sang chất lỏng, tức là từ giá trị hiệu suất của bộ tản nhiệt);
5. độ truyền của vật liệu cách nhiệt trong suốt, xác định mức độ mất nhiệt;
6. nhiệt độ của bề mặt nhận nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời, lần lượt phụ thuộc vào tốc độ của chất làm mát và nhiệt độ của chất làm mát ở đầu vào đến bộ thu năng lượng mặt trời;
7. nhiệt độ ngoài trời.

Hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời, tức là Tỷ lệ giữa năng lượng sử dụng và năng lượng tới sẽ được xác định bởi tất cả các thông số này. Trong điều kiện thuận lợi có thể đạt 70%, trong điều kiện không thuận lợi có thể giảm xuống còn 30%. Giá trị chính xác Hiệu quả có thể đạt được trong tính toán sơ bộ chỉ bằng cách mô hình hóa đầy đủ hành vi của hệ thống, có tính đến tất cả các yếu tố được liệt kê ở trên. Rõ ràng là một vấn đề như vậy có thể được giải quyết chỉ với việc sử dụng máy tính.

Vì mật độ thông lượng của bức xạ mặt trời liên tục thay đổi, nên có thể sử dụng tổng bức xạ mỗi ngày hoặc thậm chí mỗi tháng để ước tính tính toán.

Trong bảng. 1 làm ví dụ được đưa ra:

lượng bức xạ mặt trời trung bình hàng tháng nhận được, được đo trên bề mặt nằm ngang;

số tiền được tính cho những bức tường thẳng đứng quay mặt về hướng nam;

tổng cho các bề mặt có góc dốc tối ưu là 34 ° (đối với Kew, gần London).

Bảng 1. Lượng bức xạ mặt trời hàng tháng ở Kew (gần London)

Bảng cho thấy bề mặt có góc nghiêng tối ưu nhận được (trung bình cho 8 những tháng mùa đông) năng lượng gấp khoảng 1,5 lần so với bề mặt nằm ngang. Nếu biết tổng lượng bức xạ mặt trời đến trên bề mặt nằm ngang, thì để chuyển đổi thành bề mặt nghiêng, chúng có thể được nhân với tích của hệ số này (1,5) và giá trị được chấp nhận của hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời, bằng 40 %, I E.

1,5*0,4=0,6

Điều này sẽ cung cấp cho lượng năng lượng hữu ích được hấp thụ bởi bề mặt nhận nhiệt nghiêng trong một khoảng thời gian nhất định.

Để xác định sự đóng góp hiệu quả của năng lượng mặt trời vào việc cung cấp nhiệt của một tòa nhà, ngay cả khi tính toán thủ công, cần phải lập ra số dư ít nhất hàng tháng về nhu cầu và nhiệt hữu ích nhận được từ Mặt trời. Để rõ ràng, hãy xem xét một ví dụ.

Sử dụng dữ liệu ở trên và xem xét một ngôi nhà có tỷ lệ thất thoát nhiệt là 250 W / ° C, vị trí đó có nhiệt độ ngày hàng năm là 2800 (67200 ° C * h). và diện tích của các bộ thu năng lượng mặt trời, ví dụ, là 40 m2, sau đó sẽ có được sự phân bổ sau theo tháng (xem Bảng 2).

Bảng 2. Tính toán đóng góp hiệu quả của năng lượng mặt trời

Tháng	° C * h / tháng	Lượng bức xạ trên bề mặt nằm ngang, kW * h / m2	Nhiệt hữu ích trên một đơn vị diện tích thu (D * 0,6), kW * h / m2	Tổng nhiệt hữu ích (E * 40 m2), kWh	Đóng góp năng lượng mặt trời, kW * h / m2
Một	B	C	D	E	F	G
tháng Giêng	10560	2640	18,3	11	440	440
tháng 2	9600	2400	30,9	18,5	740	740
Bước đều	9120	2280	60,6	36,4	1456	1456
Tháng tư	6840	1710	111	67,2	2688	1710
Có thể	4728	1182	123,2	73,9	2956	1182
Tháng sáu	-	-	150,4	90,2	3608	-
Tháng bảy	-	-	140,4	84,2	3368	-
Tháng tám	-	-	125,7	75,4	3016	-
Tháng 9	3096	774	85,9	51,6	2064	774
Tháng Mười	5352	1388	47,6	28,6	1144	1144
Tháng mười một	8064	2016	23,7	14,2	568	568
Tháng 12	9840	2410	14,4	8,6	344	344
Tổng	67200	16800	933	559,8	22392	8358

Chi phí nhiệt
Sau khi tính toán lượng nhiệt do Mặt trời cung cấp, cần phải trình bày nó dưới dạng tiền tệ.

Chi phí nhiệt sinh ra phụ thuộc vào:

chi phí nhiên liệu;

nhiệt trị của nhiên liệu;

hiệu quả tổng thể của hệ thống.

Do đó, chi phí vận hành thu được sau đó có thể được so sánh với chi phí vốn của hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời.

Do đó, nếu chúng ta xem xét rằng trong ví dụ trên, một hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời được sử dụng thay vì một hệ thống sưởi truyền thống, chẳng hạn như, nhiên liệu khí đốt và tạo ra nhiệt với chi phí 1,67 rúp / kWh, sau đó, để xác định kết quả tiết kiệm hàng năm, cần phải nhân 8358 kWh do năng lượng mặt trời cung cấp (theo tính toán trong Bảng 2 cho diện tích bộ thu là 40 m2), nhân với 1,67 chà / kWh, cho

8358 * 1,67 \ u003d 13957,86 rúp.

Sưởi ấm phụ trợ
Một trong những câu hỏi thường gặp nhất của những người muốn hiểu về việc sử dụng năng lượng mặt trời để sưởi ấm (hoặc bất kỳ mục đích nào khác) là câu hỏi, "Bạn làm gì khi mặt trời không chiếu sáng?" Sau khi hiểu khái niệm về lưu trữ năng lượng, họ đặt câu hỏi sau: "Làm gì khi không còn năng lượng nhiệt trong pin?" Câu hỏi này là chính đáng và nhu cầu về một hệ thống truyền thống thường dư thừa là một trở ngại lớn đối với việc áp dụng rộng rãi năng lượng mặt trời như một sự thay thế cho các nguồn năng lượng hiện có.

Nếu công suất của hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời không đủ để duy trì một tòa nhà trong thời kỳ thời tiết lạnh giá, nhiều mây, thì hậu quả, thậm chí một lần mỗi mùa đông, có thể đủ nghiêm trọng để yêu cầu một hệ thống sưởi toàn diện thông thường được coi là một bản sao lưu. Hầu hết các tòa nhà được sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời cần có hệ thống dự phòng đầy đủ. Hiện nay, ở hầu hết các khu vực, năng lượng mặt trời nên được coi là một phương tiện giảm tiêu thụ kiểu truyền thống năng lượng, và không phải là một sự thay thế hoàn toàn cho chúng.

Máy sưởi thông thường là sản phẩm thay thế phù hợp, nhưng có nhiều lựa chọn thay thế khác, ví dụ:

Lò sưởi;
- bếp lò;
- lò sưởi củi.

Tuy nhiên, giả sử rằng chúng tôi muốn tạo ra một hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời đủ lớn để cung cấp nhiệt cho một căn phòng ở mức tối đa điều kiện bất lợi. Vì sự kết hợp giữa những ngày quá lạnh và thời tiết nhiều mây kéo dài là rất hiếm, nên kích thước nhà máy điện mặt trời bổ sung (bộ thu và pin) cần thiết cho những dịp này sẽ quá đắt để tiết kiệm nhiên liệu tương đối ít. Ngoài ra, phần lớn thời gian, hệ thống sẽ hoạt động ở mức thấp hơn công suất danh định.

Hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời được thiết kế để cung cấp 50% tải sưởi chỉ có thể cung cấp đủ nhiệt cho 1 ngày thời tiết rất lạnh. Bằng cách tăng gấp đôi kích thước của hệ thống năng lượng mặt trời, ngôi nhà sẽ được cung cấp nhiệt cho 2 ngày nhiều mây lạnh giá. Đối với khoảng thời gian dài hơn 2 ngày, sự gia tăng kích thước tiếp theo sẽ không hợp lý như lần trước. Ngoài ra, sẽ có những giai đoạn thời tiết ôn hòa khi không cần tăng lần thứ hai.

Bây giờ, nếu chúng ta tăng diện tích các bộ thu của hệ thống sưởi thêm 1,5 lần nữa để có thể chịu đựng trong 3 ngày lạnh và nhiều mây, thì về mặt lý thuyết, nó sẽ đủ cung cấp 1/2 nhu cầu của toàn bộ ngôi nhà. trong mùa đông. Nhưng, tất nhiên, điều này có thể không đúng trong thực tế, vì đôi khi xảy ra 4 (hoặc nhiều hơn) ngày trời lạnh liên tiếp. Để tính cho ngày thứ 4 này, chúng ta cần một hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời về mặt lý thuyết có thể thu nhiệt gấp 2 lần so với nhu cầu của tòa nhà trong mùa sưởi ấm. Rõ ràng là thời gian lạnh và nhiều mây có thể kéo dài hơn dự kiến trong thiết kế hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời. Bộ thu càng lớn, mỗi phần tăng thêm của kích thước được sử dụng càng ít, năng lượng được tiết kiệm trên một đơn vị diện tích của bộ thu càng ít và lợi tức đầu tư cho mỗi đơn vị diện tích bổ sung càng ít.

Tuy nhiên, những nỗ lực táo bạo đã được thực hiện để tích trữ đủ nhiệt năng từ bức xạ mặt trời để đáp ứng toàn bộ nhu cầu sưởi ấm và loại bỏ hệ thống sưởi phụ. Ngoại trừ hiếm hoi các hệ thống như Ngôi nhà năng lượng mặt trời G. Hay, lưu trữ nhiệt lâu dài có lẽ là giải pháp thay thế duy nhất cho hệ thống phụ trợ. Ông Thomason đã đến gần 100% hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời trong ngôi nhà đầu tiên của ông ở Washington; chỉ có 5% tải sưởi được bao phủ bởi một lò sưởi đốt dầu tiêu chuẩn.

Nếu hệ thống phụ trợ chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng tải, thì việc sử dụng hệ thống sưởi bằng điện là hợp lý, mặc dù thực tế là nó yêu cầu sản xuất một lượng đáng kể năng lượng trong nhà máy điện, sau đó được chuyển thành nhiệt để sưởi ấm. (10500 ... 13700 kJ được tiêu thụ trong nhà máy điện để tạo ra 1 kWh nhiệt năng trong tòa nhà). Trong hầu hết các trường hợp, lò sưởi điện sẽ rẻ hơn dầu hoặc Bếp ga, và lượng điện tương đối nhỏ cần thiết để sưởi ấm một tòa nhà có thể biện minh cho việc sử dụng nó. Ngoài ra, lò sưởi điện là một thiết bị ít sử dụng vật liệu hơn do một lượng vật liệu tương đối nhỏ (so với lò sưởi) được sử dụng để sản xuất cuộn dây điện.

Vì hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời tăng lên đáng kể nếu nó được vận hành ở nhiệt độ thấp, nên hệ thống sưởi phải được thiết kế để sử dụng nhiệt độ càng thấp càng tốt - ngay cả ở mức 24 ... 27 ° C. Một trong những ưu điểm của hệ thống không khí ấm Thomason là nó tiếp tục tách nhiệt hữu ích từ pin ở nhiệt độ gần với nhiệt độ phòng.

Trong xây dựng mới, các hệ thống sưởi có thể được tính đến để sử dụng nhiệt độ thấp hơn, ví dụ bằng cách kéo dài bộ tản nhiệt hình ống nước nóng, tăng kích thước của các tấm bức xạ hoặc tăng thể tích không khí ở nhiệt độ thấp hơn. Các nhà thiết kế thường chọn sưởi ấm không gian bằng cách sử dụng không khí ấm hoặc sử dụng các tấm bức xạ phóng to. Hệ thống sưởi ấm không khí tận dụng tốt nhất nhiệt lưu trữ ở nhiệt độ thấp. Bức xạ tấm sưởi có độ trễ lâu (giữa việc bật hệ thống và làm nóng vùng trời) và thường yêu cầu nhiệt độ chất lỏng vận hành cao hơn so với hệ thống không khí nóng. Do đó, nhiệt từ thiết bị lưu trữ không được sử dụng đầy đủ ở nhiệt độ thấp hơn, điều này có thể chấp nhận được đối với các hệ thống có không khí ấm, và hiệu quả tổng thể của một hệ thống như vậy thấp hơn. Kích thước quá lớn hệ thống bảng bức xạ để đạt được kết quả tương tự như kết quả thu được bằng không khí có thể phát sinh thêm chi phí đáng kể.

Để tăng hiệu quả tổng thể của hệ thống (hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời và hệ thống dự phòng phụ trợ) và đồng thời giảm tổng chi phí bằng cách loại bỏ thời gian chết các bộ phận cấu thành, nhiều nhà thiết kế đã chọn con đường tích hợp bộ thu năng lượng mặt trời và pin với hệ thống phụ trợ. Các yếu tố chung là:

Người hâm mộ;
- máy bơm;
- bộ trao đổi nhiệt;
- cơ quan quản lý;
- ống dẫn;
- ống dẫn khí.

Các số liệu trong bài viết Kỹ thuật hệ thống cho thấy các sơ đồ khác nhau của các hệ thống như vậy.

Cạm bẫy trong việc thiết kế giao diện giữa các hệ thống là sự gia tăng các bộ phận điều khiển và chuyển động, làm tăng khả năng hỏng hóc cơ khí. Sự cám dỗ để tăng hiệu suất lên 1-2% bằng cách thêm một thiết bị khác vào điểm giao nhau của các hệ thống là điều gần như không thể cưỡng lại và có thể là lý do phổ biến nhất dẫn đến sự cố của hệ thống sưởi năng lượng mặt trời. Thông thường, bộ gia nhiệt tăng áp không được làm nóng ngăn tích lũy nhiệt năng lượng mặt trời. Nếu điều này xảy ra, thì giai đoạn thu nhiệt mặt trời sẽ kém hiệu quả hơn, vì quá trình này hầu như luôn diễn ra ở nhiệt độ cao hơn. Trong các hệ thống khác, việc hạ thấp nhiệt độ của pin do tòa nhà sử dụng nhiệt sẽ cải thiện hiệu quả tổng thể của hệ thống.

Nguyên nhân dẫn đến những nhược điểm khác của mạch này là do pin bị thất thoát nhiệt lớn do nhiệt độ cao liên tục của nó. Trong các hệ thống mà thiết bị phụ trợ không làm nóng pin, pin sẽ mất nhiệt ít hơn đáng kể nếu không có mặt trời trong vài ngày. Ngay cả trong các hệ thống được thiết kế theo cách này, tổn thất nhiệt từ thùng chứa là 5 ... 20% tổng lượng nhiệt mà hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời hấp thụ. Với một ắc quy được làm nóng phụ, tổn thất nhiệt sẽ cao hơn nhiều và chỉ có thể được giải quyết nếu bình chứa ắc quy nằm bên trong căn phòng được sưởi ấm của tòa nhà

27.09.2019

Phân loại và các yếu tố chính của hệ thống năng lượng mặt trời

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời là hệ thống sử dụng bức xạ mặt trời làm nguồn nhiệt năng. Điểm khác biệt đặc trưng của chúng so với các hệ thống sưởi nhiệt độ thấp khác là sử dụng một yếu tố đặc biệt - bộ thu năng lượng mặt trời, được thiết kế để thu bức xạ mặt trời và chuyển nó thành nhiệt năng.

Theo phương pháp sử dụng bức xạ mặt trời, hệ thống sưởi nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời được chia thành thụ động và chủ động.

Thụ độngđược gọi là hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, trong đó bản thân tòa nhà hoặc các hàng rào riêng lẻ của tòa nhà (bộ thu từ tòa nhà, bộ thu từ tường, bộ thu từ mái, hình 1) đóng vai trò như một phần tử cảm nhận bức xạ mặt trời và chuyển nó thành nhiệt.

Trong các hệ thống năng lượng mặt trời thụ động, việc sử dụng năng lượng mặt trời được thực hiện độc quyền do các giải pháp kiến trúc và kết cấu của các tòa nhà.

Trong hệ thống thụ động của hệ thống sưởi nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời của bộ thu nhiệt của tòa nhà, bức xạ mặt trời, xuyên qua các khe hở ánh sáng vào phòng, rơi vào bẫy nhiệt như nó vốn có. Bức xạ mặt trời sóng ngắn tự do đi qua kính cửa sổ và rơi vào hàng rào bên trong của căn phòng, nó được chuyển hóa thành nhiệt. Tất cả bức xạ mặt trời đi vào phòng đều được chuyển hóa thành nhiệt trong phòng và có thể bù đắp một phần hoặc toàn bộ lượng nhiệt thất thoát.

Để tăng hiệu quả của hệ thống thu gom tòa nhà, các khe hở ánh sáng khu vực rộng lớnđặt ở mặt tiền phía Nam, cung cấp rèm che, khi đóng lại nên ngăn thất thoát với tác dụng chống bức xạ trong bóng tối và trong thời tiết nắng nóng, kết hợp với các thiết bị chống nắng khác, phòng quá nóng. Các bề mặt bên trong được sơn màu tối.

Nhiệm vụ tính toán cho phương pháp sưởi ấm này là xác định diện tích cần thiết của các khe hở ánh sáng để truyền dòng bức xạ mặt trời vào phòng, là cần thiết, có tính đến sự tích tụ, bù đắp các tổn thất nhiệt. Theo quy định, công suất của hệ thống thu nhiệt thụ động của tòa nhà trong thời gian lạnh là không đủ, và một nguồn nhiệt bổ sung được lắp đặt trong tòa nhà, biến hệ thống thành một hệ thống kết hợp. Trong trường hợp này, diện tích có hiệu quả kinh tế của các khe hở sáng và công suất của nguồn nhiệt bổ sung được xác định bằng tính toán.

Hệ thống năng lượng mặt trời thụ động của hệ thống sưởi ấm nhiệt độ thấp không khí "bức tường thu nhiệt" bao gồm một bức tường lớn bên ngoài, phía trước là một màn hình bức xạ có rèm che được lắp đặt ở khoảng cách ngắn. Các lỗ dạng khe có van được bố trí gần sàn và dưới trần trong tường. Các tia sáng mặt trời khi đi qua tấm chắn bức xạ sẽ bị bề mặt của bức tường lớn hấp thụ và chuyển thành nhiệt, được truyền qua đối lưu với không khí nằm trong không gian giữa tấm chắn và bức tường. Không khí nóng lên và bốc lên, đi vào qua một khe dưới trần nhà vào phòng dịch vụ và vị trí của nó được lấy bởi không khí được làm mát từ phòng, thâm nhập vào không gian giữa tường và màn hình qua một khe gần sàn của phòng. Việc cung cấp không khí nóng vào phòng được điều chỉnh bằng cách mở van. Nếu van đóng, nhiệt được tích tụ trong khối tường. Nhiệt này có thể được lấy đi bởi dòng không khí đối lưu bằng cách mở van vào ban đêm hoặc khi trời nhiều mây.

Khi tính toán hệ thống sưởi không khí bằng năng lượng mặt trời nhiệt độ thấp thụ động như vậy, diện tích bề mặt tường cần thiết được xác định. Hệ thống này cũng được nhân đôi bởi một nguồn nhiệt bổ sung.

tích cực Hệ thống sưởi nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời được gọi là hệ thống thu năng lượng mặt trời là một thiết bị riêng biệt độc lập không liên quan đến tòa nhà. Các hệ thống năng lượng mặt trời đang hoạt động có thể được chia nhỏ:

theo mục đích (cung cấp nước nóng, hệ thống sưởi ấm, hệ thống kết hợp cung cấp nhiệt và lạnh);
theo loại chất làm mát được sử dụng (chất lỏng - nước, chất chống đông và không khí);
theo thời gian làm việc (quanh năm, theo mùa);
theo giải pháp kỹ thuật của các phương án (một-, hai-, đa vòng).

Hai loại máy thu năng lượng mặt trời được sử dụng cho các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời đang hoạt động: tập trung và phẳng.

Không khí là chất làm mát được sử dụng rộng rãi, không bị đóng băng trên toàn bộ phạm vi thông số hoạt động. Khi được sử dụng như một chất mang nhiệt, có thể kết hợp hệ thống sưởi với hệ thống thông gió. Tuy nhiên, không khí là chất mang nhiệt có công suất tỏa nhiệt thấp, dẫn đến lượng kim loại tiêu thụ cho việc lắp đặt hệ thống sưởi bằng không khí tăng lên so với hệ thống nước. Nước là chất làm mát sử dụng nhiều nhiệt và có sẵn rộng rãi. Tuy nhiên, ở nhiệt độ dưới 0 ◦ C, cần phải thêm chất lỏng chống đông vào nó. Ngoài ra, phải tính đến việc nước bão hòa oxy gây ăn mòn đường ống và thiết bị. Nhưng mức tiêu thụ kim loại trong các hệ thống năng lượng mặt trời dưới nước thấp hơn nhiều, điều này góp phần lớn vào việc sử dụng chúng rộng rãi hơn.

Việc lắp đặt hệ thống sưởi nước bằng năng lượng mặt trời SVU (Hình 2) bao gồm một bộ thu năng lượng mặt trời và một bộ tích lũy trao đổi nhiệt. Chất làm mát (chất chống đông) lưu thông qua bộ thu năng lượng mặt trời. Chất làm mát được làm nóng trong bộ thu năng lượng mặt trời bằng năng lượng của Mặt trời và sau đó tỏa nhiệt năng cho nước thông qua một bộ trao đổi nhiệt được tích hợp trong bể chứa. Bể chứa dự trữ nước nóng cho đến khi sử dụng, vì vậy nó phải có cách nhiệt tốt. Trong mạch sơ cấp, nơi đặt bộ thu năng lượng mặt trời, có thể sử dụng tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức của chất làm mát. Có thể lắp một máy sưởi điện hoặc một số máy sưởi dự phòng tự động khác trong bể chứa. Nếu nhiệt độ trong bình chứa giảm xuống dưới giá trị cài đặt (thời tiết nhiều mây trong thời gian dài hoặc một số giờ nắng nhỏ trong mùa đông), máy sưởi dự phòng sẽ tự động bật và làm nóng nước đến nhiệt độ cài đặt.

Hệ thống năng lượng mặt trời để sưởi ấm các tòa nhà thường là mạch kép hoặc thường là đa mạch và các chất mang nhiệt khác nhau có thể được sử dụng cho các mạch khác nhau (ví dụ, dung dịch nước của chất lỏng chống đông trong mạch năng lượng mặt trời, nước trong các mạch trung gian, và không khí trong mạch tiêu thụ). Hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp quanh năm cho các mục đích cung cấp nhiệt và lạnh cho các tòa nhà là đa mạch và bao gồm một nguồn nhiệt bổ sung dưới dạng máy phát nhiệt truyền thống chạy bằng nhiên liệu hữu cơ hoặc máy biến nhiệt. Sơ đồ hệ thống sưởi năng lượng mặt trời được thể hiện trong Hình 3. Nó bao gồm ba mạch tuần hoàn:

mạch đầu tiên, bao gồm bộ thu năng lượng mặt trời 1, bơm tuần hoàn 8 và bộ trao đổi nhiệt chất lỏng 3;
mạch thứ hai, bao gồm một bể chứa 2, một máy bơm tuần hoàn 8 và một bộ trao đổi nhiệt 3;
mạch thứ ba, bao gồm một bể chứa 2, một máy bơm tuần hoàn 8, một bộ trao đổi nhiệt nước-không khí (bộ gia nhiệt) 5.

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời hoạt động như sau. Chất làm mát (chất chống đông) của mạch nhận nhiệt, được làm nóng trong bộ thu năng lượng mặt trời 1, đi vào bộ trao đổi nhiệt 3, tại đây nhiệt của chất chống đông được truyền sang nước lưu thông trong không gian hình khuyên của bộ trao đổi nhiệt 3 dưới tác động của máy bơm 8 của mạch thứ cấp. Nước nóng đi vào bể chứa 2. Từ bể chứa, nước được bơm cấp nước nóng 8 lấy nước, nếu cần thiết, đưa đến nhiệt độ yêu cầu trong bể chứa 7 và đi vào hệ thống cấp nước nóng của tòa nhà. Bình ắc quy được sạc lại từ nguồn nước. Để sưởi ấm, nước từ bể chứa 2 được cung cấp bởi máy bơm của mạch thứ ba 8 đến bộ gia nhiệt 5, qua đó không khí được đi qua với sự trợ giúp của quạt 9 và sau khi nóng lên, đi vào tòa nhà 4. Trong không có bức xạ mặt trời hoặc thiếu năng lượng nhiệt do bộ thu năng lượng mặt trời tạo ra, bộ điều chỉnh công việc 6 được bật. Việc lựa chọn và bố trí các phần tử của hệ thống cung cấp nhiệt mặt trời trong từng trường hợp được xác định bởi các yếu tố khí hậu, mục đích của đối tượng , phương thức tiêu thụ nhiệt và các chỉ tiêu kinh tế.

Hình 4 mô tả sơ đồ hệ thống sưởi năng lượng mặt trời cho ngôi nhà tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường.

Hệ thống sử dụng như một chất mang nhiệt: nước ở nhiệt độ dương và chất chống đông trong thời gian sưởi ấm (mạch năng lượng mặt trời), nước (mạch sưởi tầng hai) và không khí (mạch sưởi ấm mặt trời không khí thứ ba).

Một lò hơi điện được sử dụng như một nguồn dự phòng và một bộ tích lũy có thể tích 5 m 3 với một vòi phun bằng đá cuội được sử dụng để tích tụ nhiệt trong một ngày. Một mét khối đá cuội tích lũy trung bình 5 MJ nhiệt mỗi ngày.

Hệ thống lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ thấp bao gồm phạm vi nhiệt độ từ 30 đến 100 ◦C và được sử dụng trong hệ thống sưởi ấm không khí (30 C) và nước (30–90 ◦ C) và nước nóng (45–60 C).

Theo quy luật, hệ thống lưu trữ nhiệt chứa một bình chứa, vật liệu lưu trữ nhiệt, với sự trợ giúp của việc tích tụ và lưu trữ nhiệt năng, các thiết bị trao đổi nhiệt để cung cấp và loại bỏ nhiệt trong quá trình sạc và xả pin, và vật liệu cách nhiệt.

Pin có thể được phân loại theo bản chất của các quá trình vật lý và hóa học xảy ra trong vật liệu lưu trữ nhiệt:

pin loại điện dung, sử dụng nhiệt dung của vật liệu được nung nóng (đá cuội, nước, dung dịch muối nước, v.v.);
bộ tích lũy của quá trình chuyển pha của một chất, trong đó nhiệt của sự nhiệt hạch (hóa rắn) của một chất được sử dụng;
tích lũy năng lượng dựa trên sự giải phóng và hấp thụ nhiệt trong các phản ứng hóa học và quang hóa thuận nghịch.

Các bộ tích nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất là loại điện dung.

Lượng nhiệt Q (kJ) có thể được tích lũy trong bộ tích lũy nhiệt kiểu điện dung được xác định theo công thức

Vật liệu lưu trữ nhiệt hiệu quả nhất trong hệ thống sưởi năng lượng mặt trời dạng lỏng là nước. Đối với sự tích tụ nhiệt theo mùa, việc sử dụng các hồ chứa ngầm, đất đá và các thành tạo tự nhiên khác có triển vọng.

Máy thu năng lượng mặt trời tập trung là các gương cầu hoặc gương parabol (Hình 5.), được làm bằng kim loại đánh bóng, ở tâm có đặt một phần tử thu nhiệt (nồi hơi năng lượng mặt trời), qua đó chất làm mát lưu thông. Nước hoặc chất lỏng không đóng băng được sử dụng như một chất mang nhiệt. Khi sử dụng nước làm chất mang nhiệt vào ban đêm và trong thời gian lạnh, hệ thống phải được làm sạch để ngăn không cho nước đóng băng.

Ưu điểm của hệ thống có bộ thu năng lượng mặt trời tập trung là khả năng tạo nhiệt ở nhiệt độ tương đối cao (lên đến 100 ◦ C) và thậm chí cả hơi nước. Những bất lợi bao gồm chi phí xây dựng cao; nhu cầu làm sạch liên tục các bề mặt phản xạ khỏi bụi; chỉ hoạt động vào ban ngày, và do đó, nhu cầu về pin lớn; tiêu thụ năng lượng cao cho bộ truyền động của hệ thống theo dõi chuyển động của Mặt trời, tương xứng với năng lượng được tạo ra. Những thiếu sót này cản trở việc sử dụng rộng rãi các hệ thống sưởi năng lượng mặt trời nhiệt độ thấp tích cực với các bộ thu năng lượng mặt trời tập trung. Gần đây, máy thu năng lượng mặt trời phẳng thường được sử dụng nhiều nhất cho các hệ thống sưởi nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời.

Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng

Bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng là một bộ trao đổi nhiệt được thiết kế để làm nóng chất lỏng hoặc khí bằng năng lượng mặt trời. Phạm vi của bộ thu năng lượng mặt trời phẳng - hệ thống sưởi ấm cho khu dân cư và công trình công nghiệp, hệ thống điều hòa không khí, hệ thống nước nóng, cũng như các nhà máy điện có chất lỏng làm việc sôi thấp, thường hoạt động theo chu trình Rankine. Bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng (hình 6 và 7) bao gồm một lớp thủy tinh hoặc nhựa (đơn, đôi, ba), một tấm hấp thụ nhiệt được sơn màu đen ở mặt đối diện với mặt trời, lớp cách nhiệt ở mặt sau và vỏ (kim loại, nhựa, kính, gỗ).

Là một bảng điều khiển nhận nhiệt, bạn có thể sử dụng bất kỳ tấm kim loại hoặc tấm nhựa nào có các kênh cho chất làm mát. Tấm thu nhiệt được làm bằng nhôm hoặc thép gồm hai loại: tấm-ống và tấm dập (ống trong tấm). Tấm nhựa do dễ vỡ và nhanh bị lão hóa dưới tác động của ánh sáng mặt trời, cũng như do tính dẫn nhiệt thấp nên không tìm thấy ứng dụng rộng rãi. Dưới tác động của bức xạ mặt trời, các tấm thu nhiệt được nung nóng đến nhiệt độ 70–80 ◦ C, vượt quá nhiệt độ môi trường, dẫn đến tăng truyền nhiệt đối lưu của tấm ra môi trường và bức xạ của chính tấm bầu trời. Để đạt được nhiệt độ nước làm mát cao hơn, bề mặt của tấm được phủ bởi các lớp quang phổ chọn lọc tích cực hấp thụ bức xạ sóng ngắn của Mặt trời và giảm bức xạ nhiệt của chính nó trong phần sóng dài của quang phổ. Những thiết kế như vậy dựa trên "niken đen", "chrome đen", oxit đồng trên nhôm, oxit đồng trên đồng và những thiết kế khác rất đắt tiền (giá thành của chúng thường tương xứng với chi phí của chính bảng điều khiển nhận nhiệt). Một cách khác để cải thiện hiệu suất của bộ thu tấm phẳng là tạo chân không giữa tấm hấp thụ nhiệt và lớp cách nhiệt trong suốt để giảm thất thoát nhiệt (bộ thu năng lượng mặt trời thế hệ thứ tư).

Nguyên tắc hoạt động của bộ thu dựa trên thực tế là nó nhận được bức xạ mặt trời với hệ số hấp thụ đủ cao của ánh sáng mặt trời nhìn thấy và có tổn thất nhiệt tương đối thấp, bao gồm cả do độ truyền thấp của lớp phủ thủy tinh mờ đối với bức xạ nhiệt khi hoạt động. nhiệt độ. Rõ ràng là nhiệt độ của chất làm mát tạo thành được xác định bởi sự cân bằng nhiệt của bộ thu. Phần đầu vào của sự cân bằng là thông lượng nhiệt của bức xạ mặt trời, có tính đến hiệu suất quang học của bộ thu; phần tiêu hao được xác định bằng nhiệt lượng hữu ích trích ra, hệ số tổn thất nhiệt toàn phần và hiệu số giữa nhiệt độ vận hành và môi trường. Sự hoàn hảo của một bộ thu được xác định bởi hiệu suất quang và nhiệt của nó.

Hiệu suất quang học® cho biết phần nào của bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt kính thu nhiệt sẽ bị bề mặt màu đen hấp thụ bức xạ hấp thụ và có tính đến sự mất mát năng lượng liên quan đến sự hấp thụ trong kính, sự phản xạ và sự chênh lệch nhiệt hệ số bức xạ của bề mặt hấp thụ từ thống nhất.

Bộ thu năng lượng mặt trời đơn giản nhất với lớp phủ mờ bằng kính đơn, lớp cách nhiệt bằng bọt polyurethane của các bề mặt còn lại và bộ hấp thụ được phủ sơn đen có hiệu suất quang học khoảng 85% và hệ số tổn thất nhiệt khoảng 5–6 W / (m 2 K ) (Hình 7). Sự kết hợp của bề mặt hấp thụ tia phẳng và các đường ống (kênh) cho chất làm mát tạo thành một phần tử cấu trúc duy nhất - chất hấp thụ. Một bộ thu như vậy vào mùa hè ở vĩ độ trung bình có thể làm nóng nước lên đến 55–60 ◦ C và có năng suất trung bình hàng ngày là 70–80 lít nước trên 1 m2 bề mặt lò sưởi.

Để có được nhiệt độ cao hơn, người ta sử dụng bộ thu ống hút chân không với lớp phủ chọn lọc (Hình 8).

Trong bộ thu chân không, phần thể tích chứa bề mặt đen hấp thụ bức xạ mặt trời được ngăn cách với môi trường bằng một không gian hút chân không (mỗi phần tử của bộ hấp thụ được đặt trong một ống thủy tinh riêng biệt, bên trong tạo ra một chân không), điều này làm cho nó có thể nhằm loại bỏ gần như hoàn toàn thất thoát nhiệt ra môi trường do dẫn nhiệt và đối lưu. Sự thất thoát bức xạ được hạn chế phần lớn bằng cách sử dụng một lớp phủ chọn lọc. Trong bộ thu chân không, chất làm mát có thể được làm nóng lên đến 120–150 ◦C. Hiệu quả của bộ thu chân không cao hơn đáng kể so với bộ thu phẳng, nhưng nó cũng tốn kém hơn nhiều.

Hiệu quả của việc lắp đặt điện mặt trời phần lớn phụ thuộc vào các đặc tính quang học của bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời. Để giảm thiểu tổn thất năng lượng, điều cần thiết là trong vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần của quang phổ mặt trời, hệ số hấp thụ của bề mặt này càng gần với sự thống nhất càng tốt, và trong vùng bước sóng của bức xạ nhiệt riêng của bề mặt, hệ số phản xạ nên có xu hướng thống nhất. Vì vậy, bề mặt phải có đặc tính chọn lọc - hấp thụ tốt bức xạ sóng ngắn và phản xạ tốt bức xạ sóng dài.

Theo loại cơ chế chịu trách nhiệm về tính chọn lọc của các đặc tính quang học, bốn nhóm lớp phủ chọn lọc được phân biệt:

riêng;
hai lớp, mà lớp trên có hệ số hấp thụ lớn trong vùng nhìn thấy của quang phổ và nhỏ trong vùng hồng ngoại, lớp dưới có hệ số phản xạ cao trong vùng hồng ngoại;
với một microrelief mang lại hiệu quả mong muốn;
sự can thiệp.

Một số ít vật liệu đã biết có tính chất quang học chọn lọc riêng, ví dụ, W, Cu 2 S, HfC.

Phổ biến nhất là các lớp phủ chọn lọc hai lớp. Một lớp có hệ số phản xạ cao trong vùng bước sóng dài của quang phổ, chẳng hạn như đồng, niken, molypden, bạc và nhôm, được phủ lên bề mặt cần có các đặc tính chọn lọc. Trên cùng của lớp này, một lớp được áp dụng trong suốt trong vùng bước sóng dài, nhưng có hệ số hấp thụ cao trong vùng hồng ngoại nhìn thấy và gần của quang phổ. Nhiều oxit có tính chất như vậy.

Tính chọn lọc bề mặt có thể được đảm bảo bởi các yếu tố hình học thuần túy: độ bất thường của bề mặt phải lớn hơn bước sóng ánh sáng trong vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần của quang phổ và nhỏ hơn bước sóng tương ứng với bức xạ nhiệt riêng của bề mặt. Bề mặt như vậy đối với vùng quang phổ đầu tiên sẽ có màu đen, và đối với bề mặt thứ hai - là một tấm gương.

Đặc tính chọn lọc được sở hữu bởi các bề mặt có cấu trúc tua gai hoặc xốp với kích thước thích hợp của kim hoặc lỗ chân lông.

Các bề mặt chọn lọc giao thoa được hình thành bởi một số lớp kim loại và điện môi không liên tục, trong đó bức xạ sóng ngắn bị cản trở do giao thoa, và bức xạ sóng dài bị phản xạ tự do.

Quy mô sử dụng hệ thống sưởi năng lượng mặt trời

Theo IEA, vào cuối năm 2001, tổng diện tích lắp đặt các thiết bị thu gom ở 26 quốc gia tích cực nhất trong lĩnh vực này lên tới khoảng 100 triệu m 2, trong đó 27,7 triệu m bể. Phần còn lại - bộ thu thủy tinh phẳng và bộ thu ống hút chân không - được sử dụng trong Hệ thống DHW hoặc để sưởi ấm không gian. Israel (608 m2), Hy Lạp (298) và Áo (220) là những người dẫn đầu về diện tích lắp đặt bộ thu gom trên 1000 dân. Tiếp theo là Thổ Nhĩ Kỳ, Nhật Bản, Úc, Đan Mạch và Đức với diện tích lắp đặt bộ thu gom cụ thể là 118–45 m 2/1000 dân.

Tổng diện tích lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trời tính đến cuối năm 2004 ở EU đạt 13,96 triệu m2 và trên thế giới đã vượt quá 150 triệu m2. Sự gia tăng hàng năm về diện tích thu năng lượng mặt trời ở châu Âu trung bình 12%, và ở một số quốc gia, con số này ở mức 28–30% hoặc hơn. Đứng đầu thế giới về số lượng bộ thu năng lượng mặt trời trên một nghìn dân là Síp, nơi 90% ngôi nhà được lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời (có 615,7 m 2 bộ thu năng lượng mặt trời trên một nghìn dân), tiếp theo là Israel, Hy Lạp và Áo. Dẫn đầu tuyệt đối về diện tích lắp đặt bộ thu gom ở châu Âu là Đức - 47%, tiếp theo là Hy Lạp - 14%, Áo - 12%, Tây Ban Nha - 6%, Ý - 4%, Pháp - 3%. Các nước châu Âu là những nước đi đầu trong việc phát triển công nghệ mới cho hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, nhưng họ kém xa Trung Quốc về việc vận hành các hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời mới.

Trong tổng số diện tích lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trời trên toàn thế giới vào năm 2004, 78% được lắp đặt ở Trung Quốc. Thị trường IED ở Trung Quốc gần đây đã tăng trưởng với tốc độ 28% mỗi năm.

Năm 2007, tổng diện tích lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trời trên thế giới đã lên tới 200 triệu m2, trong đó có hơn 20 triệu m2 ở châu Âu.

Ngày nay, trên thị trường thế giới, giá thành của một IED (Hình 9), bao gồm một bộ thu gom có diện tích 5–6 m 2, một bể chứa có dung tích khoảng 300 lít và các phụ kiện cần thiết, là 300– 400 đô la Mỹ trên 1 m 2 của nhà sưu tập. Các hệ thống như vậy chủ yếu được lắp đặt trong các ngôi nhà riêng lẻ một và hai gia đình và có một lò sưởi dự phòng (điện hoặc gas). Khi bể chứa được lắp đặt phía trên bộ thu nhiệt, hệ thống có thể hoạt động theo tuần hoàn tự nhiên (nguyên lý nhiệtphon); khi lắp đặt bể chứa ở tầng hầm - trên cưỡng bức.

Trong thực tế thế giới, các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời nhỏ là phổ biến nhất. Theo quy định, các hệ thống như vậy bao gồm các bộ thu năng lượng mặt trời có tổng diện tích từ 2–8 m 2, một bể chứa, dung tích của chúng được xác định theo diện tích của các bộ thu được lắp đặt, một máy bơm tuần hoàn (tùy thuộc vào loại mạch nhiệt) và các thiết bị phụ trợ khác.

Các hệ thống hoạt động có kích thước lớn, trong đó bể chứa được đặt bên dưới các bộ thu và chất làm mát được tuần hoàn bằng máy bơm, được sử dụng cho các nhu cầu nước nóng và sưởi ấm. Theo nguyên tắc, trong các hệ thống hoạt động liên quan đến việc bao phủ một phần của tải sưởi, một nguồn nhiệt dự phòng được cung cấp, chạy bằng điện hoặc khí.

Một hiện tượng tương đối mới trong thực tiễn sử dụng cung cấp nhiệt năng lượng mặt trời là các hệ thống lớn có thể đáp ứng nhu cầu cấp nước nóng và sưởi ấm của các khu chung cư hoặc toàn bộ khu dân cư. Trong các hệ thống như vậy, dự trữ nhiệt hàng ngày hoặc theo mùa được cung cấp. Tích lũy hàng ngày ngụ ý khả năng vận hành hệ thống với việc tiêu thụ nhiệt tích lũy trong vài ngày, theo mùa - trong vài tháng. Để lưu trữ nhiệt theo mùa, người ta sử dụng các bể chứa lớn dưới lòng đất chứa đầy nước, trong đó tất cả nhiệt thừa nhận được từ các bộ thu nhiệt trong mùa hè sẽ được thải ra ngoài. Một lựa chọn khác để tích tụ theo mùa là làm nóng đất bằng cách sử dụng các giếng có đường ống để nước nóng luân chuyển từ các bộ thu gom.

Bảng 1 cho thấy các thông số chính của hệ thống năng lượng mặt trời lớn tích trữ nhiệt hàng ngày và theo mùa so với hệ thống năng lượng mặt trời nhỏ cho một ngôi nhà một gia đình.

Bảng 1. - Các thông số chính của hệ thống sưởi năng lượng mặt trời

Hiện có 10 hệ thống sưởi năng lượng mặt trời đang hoạt động ở Châu Âu với diện tích bộ thu từ 2400 đến 8040 m 2, 22 hệ thống có diện tích bộ thu từ 1000 đến 1250 m 2 và 25 hệ thống có diện tích bộ thu từ 500 đến 1000 m 2. Dưới đây là thông số kỹ thuật của một số hệ thống lớn hơn.

Hamburg, Đức). Diện tích của cơ sở được sưởi ấm là 14800 m 2. Diện tích của các bộ thu năng lượng mặt trời là 3000 m 2. Thể tích của bộ tích tụ nhiệt nước là 4500 m 3.

Friedrichshafen (Đức). Diện tích của cơ sở được sưởi ấm là 33000 m 2. Diện tích của các bộ thu năng lượng mặt trời là 4050 m 2. Thể tích của bộ tích tụ nhiệt nước là 12000 m 3.

Ulm-am-Neckar (Đức). Diện tích của cơ sở được sưởi ấm là 25000 m 2. Diện tích của các bộ thu năng lượng mặt trời là 5300 m 2. Thể tích của bộ tích tụ nhiệt trên mặt đất là 63400 m 3.

Rostock (Đức). Diện tích của cơ sở được sưởi ấm là 7000 m 2. Diện tích các tấm thu năng lượng mặt trời là 1000 m2. Thể tích của bộ tích tụ nhiệt trên mặt đất là 20000 m 3.

Hemnitz (Đức). Diện tích của cơ sở được sưởi ấm là 4680 m 2. Diện tích của bộ thu năng lượng mặt trời chân không là 540 m 2. Thể tích của bộ tích tụ nhiệt nước-sỏi là 8000 m 3.

Attenkirchen (Đức). Diện tích của cơ sở được sưởi ấm là 4500 m 2. Diện tích của bộ thu năng lượng mặt trời chân không là 800 m 2. Thể tích của bộ tích tụ nhiệt trên mặt đất là 9850 m 3.

Saro (Thụy Điển). Hệ thống gồm 10 những ngôi nhà nhỏ, gồm 48 căn hộ. Diện tích của các tấm thu năng lượng mặt trời là 740 m 2. Thể tích của bộ tích tụ nhiệt nước là 640 m 3. Hệ thống năng lượng mặt trời bao phủ 35% tổng tải nhiệt của hệ thống sưởi.

Hiện nay, có một số công ty ở Nga sản xuất bộ thu năng lượng mặt trời phù hợp để hoạt động đáng tin cậy. Những công ty chính là Nhà máy cơ khí Kovrov, NPO Mashinostroenie và CJSC ALTEN.

Các bộ sưu tập của Nhà máy Cơ khí Kovrov (Hình 10), không có lớp phủ chọn lọc, có giá thành rẻ và thiết kế đơn giản, và chủ yếu hướng đến thị trường nội địa. Hơn 1.500 nhà sưu tập kiểu này hiện đang được lắp đặt tại Lãnh thổ Krasnodar.

Bộ sưu tập của NPO Mashinostroeniya gần với các tiêu chuẩn châu Âu về các đặc tính. Bộ hấp thụ bộ thu được làm bằng hợp kim nhôm với lớp phủ chọn lọc và chủ yếu được thiết kế để hoạt động trong sơ đồ cung cấp nhiệt hai mạch, vì sự tiếp xúc trực tiếp của nước với hợp kim nhôm có thể dẫn đến sự ăn mòn rỗ của các kênh mà chất làm mát đi qua.

Bộ thu ALTEN-1 có thiết kế hoàn toàn mới và đáp ứng các tiêu chuẩn Châu Âu; nó có thể được sử dụng trong cả sơ đồ cấp nhiệt mạch đơn và mạch kép. Bộ thu được đặc trưng bởi hiệu suất nhiệt cao, phạm vi rộng ứng dụng khả thi, trọng lượng nhẹ và thiết kế hấp dẫn.

Kinh nghiệm vận hành các hệ thống lắp đặt dựa trên bộ thu năng lượng mặt trời đã cho thấy một số nhược điểm của các hệ thống như vậy. Trước hết, đây là chi phí cao của bộ thu gom liên quan đến các lớp phủ chọn lọc, làm tăng độ trong suốt của kính, hút bụi, v.v. Một nhược điểm đáng kể là cần phải thường xuyên làm sạch kính khỏi bụi, điều này thực tế không bao gồm việc sử dụng bộ thu gom trong công nghiệp khu vực. Trong quá trình hoạt động lâu dài của các bộ thu năng lượng mặt trời, đặc biệt là trong điều kiện mùa đông, chúng thường xuyên bị hỏng do sự mở rộng không đồng đều của các vùng được chiếu sáng và vùng tối của kính do vi phạm tính toàn vẹn của kính. Cũng có một tỷ lệ lớn lỗi bộ thu gom trong quá trình vận chuyển và lắp đặt. Một nhược điểm đáng kể của hệ thống có bộ thu là tải không đồng đều trong năm và ngày. Kinh nghiệm vận hành của các nhà thu gom trong điều kiện của châu Âu và phần châu Âu của Nga với tỷ lệ bức xạ khuếch tán cao (lên đến 50%) cho thấy không thể tạo ra một hệ thống cung cấp và sưởi ấm quanh năm tự trị. Tất cả các hệ thống năng lượng mặt trời có bộ thu năng lượng mặt trời ở vĩ độ trung bình yêu cầu lắp đặt các bể chứa lớn và đưa thêm nguồn năng lượng vào hệ thống, điều này làm giảm hiệu quả kinh tế của việc sử dụng chúng. Về vấn đề này, tốt nhất là sử dụng chúng ở những khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao (không thấp hơn 300 W / m2).

Sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời

Trong các tòa nhà dân cư và hành chính, năng lượng mặt trời chủ yếu được sử dụng dưới dạng nhiệt để đáp ứng nhu cầu cấp nước nóng, sưởi ấm, làm mát, thông gió, sấy khô, v.v.

Từ quan điểm kinh tế, việc sử dụng nhiệt mặt trời có lợi nhất khi tạo ra các hệ thống cấp nước nóng và trong các hệ thống cấp nước nóng tương tự về mặt kỹ thuật (trong bể bơi, các thiết bị công nghiệp). Cung cấp nước nóng là điều cần thiết trong mọi tòa nhà dân cư, và vì nhu cầu nước nóng thay đổi tương đối ít trong suốt cả năm, việc lắp đặt như vậy có hiệu quả cao và chi trả nhanh chóng.

Đối với hệ thống sưởi năng lượng mặt trời, thời gian sử dụng trong năm ngắn, trong thời gian sưởi ấm cường độ bức xạ mặt trời thấp và do đó, diện tích bộ thu lớn hơn nhiều so với hệ thống cấp nước nóng, và hiệu quả kinh tế là thấp hơn. Thông thường, khi thiết kế, họ kết hợp một hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời và cung cấp nước nóng.

Trong các hệ thống làm mát bằng năng lượng mặt trời, thời gian hoạt động thậm chí còn ngắn hơn (ba tháng mùa hè), dẫn đến thời gian ngừng hoạt động của thiết bị kéo dài và hiệu suất sử dụng rất thấp. Do chi phí thiết bị làm mát cao, hiệu quả kinh tế của hệ thống trở nên tối thiểu.

Tỷ lệ sử dụng hàng năm của thiết bị trong hệ thống cung cấp nhiệt và lạnh kết hợp (nước nóng, sưởi ấm và làm mát) là cao nhất, và những hệ thống này thoạt nhìn có lợi hơn so với hệ thống sưởi ấm và nước nóng kết hợp. Tuy nhiên, khi đã tính đến chi phí của các bộ thu năng lượng mặt trời cần thiết và các cơ chế hệ thống làm mát, việc lắp đặt năng lượng mặt trời như vậy sẽ rất tốn kém và không có khả năng kinh tế.

Khi tạo ra các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, nên sử dụng các sơ đồ thụ động để tăng khả năng cách nhiệt của tòa nhà và sử dụng hiệu quả bức xạ mặt trời đi vào qua các ô cửa sổ. Vấn đề cách nhiệt phải được giải quyết trên cơ sở các yếu tố kiến trúc và kết cấu, sử dụng các vật liệu và kết cấu dẫn nhiệt thấp. Nên bù đắp lượng nhiệt còn thiếu với sự trợ giúp của các hệ thống năng lượng mặt trời đang hoạt động.

Đặc điểm kinh tế của bộ thu năng lượng mặt trời

Vấn đề chính của việc sử dụng rộng rãi các lắp đặt năng lượng mặt trời có liên quan đến việc chúng thiếu hiệu quả kinh tế so với các hệ thống sưởi truyền thống. Chi phí năng lượng nhiệt trong lắp đặt với bộ thu năng lượng mặt trời cao hơn so với lắp đặt bằng nhiên liệu truyền thống. Thời gian hoàn vốn của lắp đặt nhiệt mặt trời T ok có thể được xác định theo công thức:

Hiệu quả kinh tế của việc lắp đặt các bộ thu năng lượng mặt trời tại các khu vực cung cấp năng lượng tập trung E có thể được định nghĩa là thu nhập từ việc bán năng lượng trong suốt thời gian lắp đặt, trừ đi chi phí vận hành:

Bảng 2 trình bày chi phí của hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời (theo giá 1995). Dữ liệu cho thấy các dự án phát triển trong nước rẻ hơn 2,5–3 lần so với các dự án nước ngoài.

Giá thấp của các hệ thống trong nước được lý giải là do chúng được làm bằng vật liệu rẻ, thiết kế đơn giản và hướng đến thị trường trong nước.

Bảng 2. Chi phí của hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời

Hiệu quả kinh tế cụ thể (E / S) trong lĩnh vực sưởi ấm khu vực, tùy thuộc vào tuổi thọ sử dụng của những người thu gom, dao động từ 200 đến 800 rúp / m 2.

Hiệu quả kinh tế lớn hơn nhiều do việc lắp đặt cung cấp nhiệt với các bộ thu năng lượng mặt trời ở những vùng xa xôi với mạng lưới năng lượng tập trung, ở Nga chiếm hơn 70% lãnh thổ với dân số khoảng 22 triệu người. Các đơn vị này được thiết kế để hoạt động trong ngoại tuyếnđối với người tiêu dùng cá nhân, nơi mà nhu cầu về năng lượng nhiệt là rất quan trọng. Đồng thời, chi phí của nhiên liệu truyền thống cao hơn nhiều so với chi phí của chúng ở các khu vực sưởi ấm cấp huyện do chi phí vận chuyển và tổn thất nhiên liệu trong quá trình vận chuyển, tức là yếu tố khu vực được tính vào chi phí nhiên liệu ở khu vực C tr:

trong đó r р> 1 và có thể thay đổi giá trị của nó cho các vùng khác nhau. Đồng thời, đơn giá của nhà máy C hầu như không thay đổi so với C tr. Do đó, khi thay C t bằng C tr trong công thức

thời gian hoàn vốn tính toán của các cơ sở lắp đặt tự trị ở các khu vực xa mạng lưới tập trung giảm đi r p lần, và hiệu quả kinh tế tăng tương ứng với r p.

Trong điều kiện ngày nay ở Nga, khi giá năng lượng liên tục tăng và không đồng đều giữa các vùng do điều kiện giao thông, quyết định về tính khả thi kinh tế của việc sử dụng các bộ thu năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều vào điều kiện kinh tế - xã hội, địa lý và khí hậu của địa phương.

Hệ thống sưởi ấm địa nhiệt bằng năng lượng mặt trời

Theo quan điểm cung cấp năng lượng liên tục cho người tiêu dùng, hiệu quả nhất là các hệ thống công nghệ kết hợp sử dụng hai hoặc nhiều loại nguồn năng lượng tái tạo.

Do sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời nên hoàn toàn có thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước nóng trong nhà vào mùa hè. Trong thời kỳ thu-xuân, có thể lấy tới 30% năng lượng cần thiết để sưởi ấm và 60% nhu cầu cung cấp nước nóng từ Mặt trời.

Trong những năm gần đây, hệ thống cung cấp nhiệt địa nhiệt dựa trên máy bơm nhiệt đã được phát triển tích cực. Trong các hệ thống như vậy, như đã nói ở trên, nước nhiệt hoặc năng lượng nhiệt dầu có tiềm năng thấp (20–40 ◦ C) từ các lớp trên của vỏ trái đất được sử dụng làm nguồn nhiệt chính. Khi sử dụng nhiệt mặt đất, bộ trao đổi nhiệt mặt đất được sử dụng, được đặt trong giếng thẳng đứng sâu 100–300 m, hoặc nằm ngang ở độ sâu nào đó.

Để cung cấp nhiệt và nước nóng cho người tiêu dùng có công suất thấp phi tập trung một cách hiệu quả, IPG DSC RAS đã phát triển một hệ thống địa nhiệt-năng lượng mặt trời kết hợp (Hình 11).

Một hệ thống như vậy bao gồm bộ thu năng lượng mặt trời 1, bộ trao đổi nhiệt 2, bể chứa 3, bơm nhiệt 7 và bộ trao đổi nhiệt tốt 8. Chất làm mát (chất chống đông) lưu thông qua bộ thu năng lượng mặt trời. Chất làm mát được làm nóng trong bộ thu năng lượng mặt trời bằng năng lượng của Mặt trời và sau đó tỏa nhiệt năng cho nước thông qua bộ trao đổi nhiệt 2, được tích hợp vào bể chứa 3. Nước nóng được lưu trữ trong bể chứa cho đến khi được sử dụng, vì vậy nó phải có khả năng cách nhiệt tốt. Trong mạch sơ cấp, nơi đặt bộ thu năng lượng mặt trời, có thể sử dụng tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức của chất làm mát. Một lò sưởi điện 6 cũng được lắp đặt trong bể chứa, nếu nhiệt độ trong bể chứa giảm xuống dưới giá trị cài đặt (thời tiết nhiều mây hoặc một số giờ nắng ít trong mùa đông), lò sưởi điện sẽ tự động bật và làm nóng nước đến nhiệt độ cài đặt.

Bộ phận thu năng lượng mặt trời được vận hành quanh năm và cung cấp nước nóng cho người tiêu dùng, bộ phận sưởi ấm dưới sàn nhiệt độ thấp với máy bơm nhiệt (HP) và giếng trao đổi nhiệt sâu 100–200 m chỉ được đưa vào hoạt động trong quá trình sưởi Giai đoạn.

Trong chu trình HP, nước lạnh có nhiệt độ 5 ◦ C đi xuống trong không gian hình khuyên của bộ trao đổi nhiệt giếng và loại bỏ nhiệt tiềm năng thấp từ đá xung quanh. Sau đó, tùy thuộc vào độ sâu của giếng, nước, được làm nóng đến nhiệt độ 10–15 ◦ C, sẽ dâng dọc theo dây ống trung tâm lên bề mặt. Để ngăn dòng nhiệt ngược ra ngoài, cột trung tâm được cách nhiệt với bên ngoài. Trên bề mặt, nước từ giếng đi vào thiết bị bay hơi HP, nơi tác nhân làm việc có nhiệt độ sôi thấp được làm nóng và bay hơi. Sau thiết bị bay hơi, nước được làm mát lại được đưa đến giếng. Trong thời gian gia nhiệt, với sự luân chuyển liên tục của nước trong giếng, đá xung quanh giếng sẽ nguội dần.

Các nghiên cứu tính toán cho thấy bán kính của mặt trước làm mát trong thời gian sưởi ấm có thể đạt 5–7 m. Trong thời gian giữa các hệ thống sưởi, khi hệ thống sưởi tắt, nhiệt độ được khôi phục một phần (lên đến 70%). trường xung quanh giếng do dòng nhiệt từ đá bên ngoài vùng làm mát; không thể đạt được sự phục hồi hoàn toàn của trường nhiệt độ xung quanh giếng trong thời gian ngừng hoạt động của nó.

Bộ thu năng lượng mặt trời được lắp đặt dựa trên thời kỳ mùa đông hoạt động của hệ thống khi ánh sáng mặt trời ở mức tối thiểu. Vào mùa hè, một phần nước nóng từ bể chứa được đưa đến giếng để khôi phục hoàn toàn nhiệt độ trong đá xung quanh giếng.

Trong thời gian không gia nhiệt, van 13 và 14 đóng, và với van 15 và 16 mở, nước nóng từ bình tích áp được bơm tuần hoàn vào không gian hình khuyên của giếng, nơi, khi nó được hạ xuống, nhiệt. trao đổi với đá xung quanh giếng diễn ra. Hơn nữa, nước được làm mát được đưa trở lại bể chứa thông qua cột cách nhiệt trung tâm. Trong thời gian gia nhiệt, ngược lại, van 13 và 14 mở, và van 15 và 16 đóng.

Trong hệ thống công nghệ được đề xuất, tiềm năng của năng lượng mặt trời được sử dụng để làm nóng nước trong hệ thống cấp nước nóng và đá xung quanh giếng trong hệ thống sưởi nhiệt độ thấp. Thu hồi nhiệt trong đá giúp vận hành hệ thống cung cấp nhiệt ở chế độ tối ưu về mặt kinh tế.

Nhà máy nhiệt điện mặt trời

Mặt trời là một nguồn năng lượng đáng kể trên hành tinh Trái đất. Năng lượng mặt trời rất thường xuyên trở thành chủ đề của nhiều cuộc thảo luận. Ngay khi một dự án xây dựng nhà máy điện mặt trời mới xuất hiện, các câu hỏi đặt ra về hiệu quả, công suất, số vốn đầu tư và thời gian hoàn vốn.

Có những nhà khoa học xem các nhà máy nhiệt điện mặt trời là mối nguy hại cho môi trường. Những tấm gương được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện mặt trời làm nóng không khí rất nhiều, dẫn đến biến đổi khí hậu và làm chết các loài chim bay ngang qua. Mặc dù vậy, trong những năm gần đây, năng lượng mặt trời nhà máy nhiệt điệnđang trở nên phổ biến hơn. Năm 1984, nhà máy điện mặt trời đầu tiên được đưa vào vận hành gần Cramer Junction, California, trong sa mạc Mojabe (Hình 6.1). Trạm được đặt tên là Hệ thống tạo năng lượng mặt trời, viết tắt là SEGS.

Cơm. 6.1. Nhà máy điện mặt trời ở sa mạc Mojabe

Tại nhà máy điện này, bức xạ mặt trời được sử dụng để tạo ra hơi nước, làm quay tuabin và tạo ra điện năng. Việc sản xuất nhiệt điện mặt trời trên quy mô lớn khá cạnh tranh. Hiện tại, các nhà máy nhiệt điện mặt trời với tổng công suất lắp đặt hơn 400 MW đã được xây dựng bởi các công ty tiện ích của Mỹ, cung cấp điện cho 350.000 người và thay thế 2,3 triệu thùng dầu mỗi năm. Chín nhà máy điện nằm ở sa mạc Mojabe có công suất lắp đặt 354 MW. Ở các khu vực khác trên thế giới, các dự án sử dụng nhiệt mặt trời để sản xuất điện cũng cần sớm được khởi động. Ấn Độ, Ai Cập, Maroc và Mexico đang phát triển các chương trình tương ứng. Các khoản hỗ trợ tài chính do Quỹ Môi trường Toàn cầu (GEF) cung cấp. Tại Hy Lạp, Tây Ban Nha và Mỹ, các dự án mới đang được phát triển bởi các nhà sản xuất điện độc lập.

Theo phương pháp sản xuất nhiệt, các nhà máy nhiệt điện mặt trời được chia thành các bộ tập trung năng lượng mặt trời (gương) và ao năng lượng mặt trời.

máy tập trung năng lượng mặt trời

Các nhà máy nhiệt điện mặt trời tập trung năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng thấu kính và gương phản xạ. Vì nhiệt lượng này có thể được lưu trữ, các trạm như vậy có thể tạo ra điện khi cần thiết, dù ngày hay đêm, trong bất kỳ thời tiết nào. Gương lớn- với tiêu điểm điểm hoặc đường thẳng - chúng tập trung tia nắng mặt trời đến mức nước biến thành hơi nước, đồng thời giải phóng đủ năng lượng để quay tuabin. Các hệ thống này có thể chuyển đổi quang năng thành điện năng với hiệu suất khoảng 15%. Tất cả các nhà máy nhiệt điện, ngoại trừ các ao năng lượng mặt trời, sử dụng bộ tập trung để đạt được nhiệt độ cao, phản xạ ánh sáng của Mặt trời từ bề mặt lớn hơn đến bề mặt thu nhỏ hơn. Thông thường, một hệ thống như vậy bao gồm bộ tập trung, bộ thu, chất làm mát, hệ thống lưu trữ và hệ thống truyền năng lượng. Công nghệ hiện đại bao gồm bộ tập trung parabol, gương parabol năng lượng mặt trời và tháp năng lượng mặt trời. Chúng có thể được kết hợp với các nhà máy đốt nhiên liệu hóa thạch và trong một số trường hợp thích hợp để lưu trữ nhiệt. Ưu điểm chính của quá trình lai ghép và lưu trữ nhiệt là công nghệ này có thể cung cấp kế hoạch phát điện, tức là, việc phát điện có thể được thực hiện vào những thời điểm cần thiết. Lai hóa và lưu trữ nhiệt có thể làm tăng giá trị kinh tế của điện năng được sản xuất và giảm giá thành trung bình của nó.

Lắp đặt năng lượng mặt trời với bộ tập trung parabol

Một số nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng gương parabol tập trung ánh sáng mặt trời vào các ống nhận chứa chất lỏng truyền nhiệt. Chất lỏng này được làm nóng đến gần 400 ºC và được bơm qua một loạt các bộ trao đổi nhiệt; điều này tạo ra hơi quá nhiệt, thúc đẩy một máy phát điện tăng áp thông thường để sản xuất điện. Để giảm tổn thất nhiệt, ống nhận nhiệt có thể được bao bọc bởi một ống thủy tinh trong suốt đặt dọc theo tiêu cự của hình trụ. Theo quy định, việc lắp đặt như vậy bao gồm các hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời đơn trục hoặc hai trục. Trong một số trường hợp hiếm hoi, chúng đứng yên (Hình 6.2).

Cơm. 6.2. Lắp đặt năng lượng mặt trời với bộ tập trung parabol

Ước tính của công nghệ này cho thấy chi phí điện năng tạo ra cao hơn so với các nhà máy nhiệt điện mặt trời khác. Điều này là do nồng độ bức xạ mặt trời thấp, nhiệt độ thấp hơn. Tuy nhiên, với kinh nghiệm hoạt động nhiều hơn, công nghệ cải tiến và giảm chi phí vận hành, bộ tập trung parabol có thể là công nghệ ít tốn kém nhất và đáng tin cậy nhất trong tương lai gần.

Nhà máy điện mặt trời kiểu bát đĩa

Hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời kiểu đĩa là một pin gồm các gương đĩa hình parabol có hình dạng tương tự như một đĩa vệ tinh, tập trung năng lượng mặt trời vào các máy thu đặt tại tiêu điểm của mỗi đĩa (Hình 6.3). Chất lỏng trong bộ thu được làm nóng lên đến 1000 ° C và được sử dụng trực tiếp để tạo ra điện trong một động cơ và máy phát điện nhỏ được kết nối với bộ thu.

Cơm. 6.3. Loại tấm năng lượng mặt trời

Hiệu suất quang học cao và chi phí ban đầu thấp làm cho hệ thống gương / động cơ hoạt động hiệu quả nhất trong tất cả các công nghệ năng lượng mặt trời. Động cơ Stirling và hệ thống gương parabol giữ kỷ lục thế giới về khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng hiệu quả nhất. Năm 1984, Rancho Mirage ở California đạt hiệu suất thực tế là 29%. Nhờ thiết kế mô-đun, các hệ thống như vậy là lựa chọn tốt nhất để đáp ứng nhu cầu điện năng cho cả người tiêu dùng độc lập và các tổ hợp lai vận hành trên lưới điện.

Tháp điện mặt trời

Tháp điện mặt trời có bộ thu trung tâm Các tháp điện mặt trời có bộ thu trung tâm sử dụng trường quay của các tấm phản xạ heliostat. Họ tập trung ánh sáng mặt trời vào một bộ thu trung tâm được xây dựng trên đỉnh tháp, bộ thu này sẽ hấp thụ nhiệt năng và điều khiển một máy phát tuabin (hình 6.4, hình 6.5).

Cơm. 6.4. Tháp năng lượng mặt trời với bộ thu trung tâm

Một hệ thống theo dõi hai trục được điều khiển bằng máy tính sẽ định vị các heliostats sao cho tia nắng phản xạ đứng yên và luôn rơi vào máy thu. Chất lỏng lưu thông trong bộ thu truyền nhiệt cho bộ tích nhiệt dưới dạng hơi nước. Hơi nước dẫn động tuabin để tạo ra điện hoặc được sử dụng trực tiếp trong các quy trình công nghiệp. Nhiệt độ tại đầu thu đạt từ 500 đến 1500 ºC. Nhờ sự tích tụ nhiệt, các nhà máy điện tháp đã trở thành một công nghệ năng lượng mặt trời độc đáo cho phép bạn tạo ra điện theo một lịch trình định trước.

Cơm. 6.5. Tháp năng lượng mặt trời "Solar Two" ở California

ao năng lượng mặt trời

Cả gương hội tụ và pin mặt trời đều không thể tạo ra năng lượng vào ban đêm. Với mục đích này, năng lượng mặt trời được tích lũy trong ngày phải được lưu trữ trong các bể chứa nhiệt. Quá trình này xảy ra tự nhiên trong cái gọi là ao năng lượng mặt trời (Hình 6.6).

Cơm. 6.6. Sơ đồ thiết bị của ao năng lượng mặt trời
1. Nồng độ muối cao. 2. Lớp giữa. 3. Nồng độ muối thấp. 4. Nước lạnh "vào" và nước nóng "ra"

Ao năng lượng mặt trời có nồng độ muối cao ở đáy nước, lớp nước ở giữa không đối lưu trong đó nồng độ muối tăng theo độ sâu và lớp đối lưu có nồng độ muối thấp ở bề mặt. Ánh sáng mặt trời chiếu xuống bề mặt ao, và nhiệt được giữ lại ở các tầng dưới của nước do nồng độ muối cao. Nước có độ mặn cao, được đun nóng bằng năng lượng mặt trời hấp thụ dưới đáy ao, không thể dâng lên do mật độ cao. Nó vẫn ở dưới đáy ao, nóng dần lên cho đến khi gần sôi. "Nước muối" dưới đáy nóng được sử dụng cả ngày lẫn đêm như một nguồn nhiệt, nhờ đó tuabin làm mát hữu cơ đặc biệt có thể tạo ra điện. Lớp giữa của ao năng lượng mặt trời có tác dụng cách nhiệt, ngăn cản sự đối lưu và thất thoát nhiệt từ đáy lên bề mặt. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa đáy và bề mặt nước ao đủ để điều khiển máy phát điện. Chất làm mát, đi qua các đường ống qua lớp nước bên dưới, được đưa tiếp vào hệ thống Rankin khép kín, trong đó một tuabin quay để sản xuất điện.

Ưu nhược điểm của nhà máy nhiệt điện mặt trời

Các tháp điện mặt trời có bộ thu trung tâm và các nhà máy điện mặt trời có bộ tập trung hình parabol hoạt động tối ưu như một phần của các nhà máy điện lớn nối lưới có công suất 30-200 MW, trong khi các nhà máy điện mặt trời dạng đĩa bao gồm các mô-đun và có thể được sử dụng cả hai. Trong cài đặt tự trị, và các nhóm có tổng công suất vài megawatt.

Bảng 6.1 Đặc điểm của các nhà máy nhiệt điện mặt trời

Bộ tập trung năng lượng mặt trời parabol cho đến nay là công nghệ năng lượng mặt trời tiên tiến nhất và có khả năng được sử dụng trong tương lai gần. Các nhà máy điện dạng tháp với bộ thu trung tâm, do khả năng lưu trữ nhiệt hiệu quả, cũng có thể trở thành nhà máy điện mặt trời trong tương lai gần. Bản chất mô-đun của các đơn vị kiểu đĩa cho phép chúng được sử dụng trong cài đặt nhỏ. Nhà máy điện kiểu tháp năng lượng mặt trời với bộ thu trung tâm và nhà máy kiểu đĩa cho phép đạt được các giá trị cao hơn về hiệu suất chuyển đổi quang năng thành năng lượng điện với chi phí thấp hơn so với nhà máy điện có bộ tập trung năng lượng mặt trời parabol. Trong bảng. 6.1 cho thấy các đặc điểm chính của ba phương án sản xuất nhiệt điện mặt trời.