lecture04 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004)

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)4. Системы солнечного теплоснабжения4.1. Классификация и основные элементы гелиосистемСистемами солнечного отопления называются системы, использующиев качестве теплоисточника энергию солнечной радиации. Их характернымотличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.По способу использования солнечной радиации системы солнечногонизкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых вкачестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т.

п. (рис. 4.1.1)).Рис. 4.1.1. Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления«стена-коллектор»: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 –черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.Активными называются системы солнечного низкотемпературного©Кафедра теплоэнергетических систем, 20041Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельнымустройством, не относящимся к зданию.

Активные гелиосистемы могут бытьподразделены:− поназначению(системыгорячеговодоснабжения,отопления,комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);− по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз ивоздушные);− по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);− по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).Воздух является широко распространенным незамерзающим во всемдиапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления посравнению с водяными системами.Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающиежидкости.

Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом,вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствуетболее широкому их применению.Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительныйисточник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть примененыразличные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы не©Кафедра теплоэнергетических систем, 20042Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)замерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целейтеплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающегона органическом топливе, или трансформатора теплоты.Основными элементами активной солнечной системы является гелиоприемник, аккумулятор теплоты, дополнительный источник или трансформатор теплоты (тепловой насос), ее потребитель (системы отопления и горячего водоснабжения зданий).

Выбор и компоновка элементов в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.4.2. Концентрирующие гелиоприемникиКонцентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или параболические зеркала, параболоцилиндры (рис. 4.2.1), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель.

В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и вхолодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения еезамерзания.Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник долженбыть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемникснабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце,электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редукторомдля поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.На рис.

4.2.2 представлена принципиальная схема жидкостной комби©Кафедра теплоэнергетических систем, 20043Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)нированной двухконтурной низкотемпературной системы солнечного отопления с параболоцилиндрическим концентратором и жидкостным теплоаккумулятором. В контуре гелиоприемника в качестве теплоносителя примененантифриз, а в контуре системы отопления – вода.Рис. 4.2.1.

Концентрирующие гелиоприемники: а – параболический концентратор; б – параболоцилиндрический концентратор; 1 – солнечные лучи; 2 –тепловоспринимающий элемент (солнечный коллектор); 3 – зеркало; 4 – механизм привода системы слежения; 5 – трубопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель.Рис. 4.2.2.

Жидкостная комбинированная двухконтурная низкотемпературнаясистема солнечного отопления с параболоцилиндрическим концентратором ижидкостным теплоаккумулятором: 1 – параболоцилиндрический концентратор; 2 – жидкостный теплоаккумулятор; 3 – дополнительный теплоисточник;4 – термометр; 5 – контур системы отопления; 6 – регулирующий вентиль; 7– циркуляционный насос.Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 °С) и даже пара.

К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих по©Кафедра теплоэнергетических систем, 20044Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)верхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно,потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты напривод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемойэнергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками.

В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.4.3. Солнечные коллекторыПлоские солнечные коллекторы (рис. 4.3.1) состоят из стеклянногоили пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черныйцвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).Рис. 4.3.1.

Плоский солнечный коллектор: 1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность; 5 – теплоизоляция;6 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20045Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)На рис. 4.3.2 представлена принципиальная схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с солнечными коллекторами, в которой предусмотрен автоматический дренаж коллекторов при прекращениивоздействия солнечной радиации.Рис.

4.3.2. Схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с плоскими коллекторами и их автоматическим дренажем при прекращении циркуляции: 1 – солнечные плоские коллекторы; 2 – расширительный бак; 3 – дополнительный теплоисточник; 4 – теплообменник; 5 –отопительные приборы; 6 – циркуляционные насосы; 7 – бактеплоаккумулятор.В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любойметаллический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе).

Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечныхлучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения. Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80°С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достиженияболее высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрываютспектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в©Кафедра теплоэнергетических систем, 20046Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другиедорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели).Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторычетвертого поколения). Устройство теплоизоляции удорожает и утяжеляетконструкцию гелиоприемника.Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем.

Прежде всего это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы охлаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатациисолнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частыйвыход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления.

Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторамиявляется также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России привысокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления.