Подготовили студенты Группы Б3ТПЭН31

Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием 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 солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивные

Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве 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.

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.

Активные

Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);

по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);

по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Классификация систем солнечного теплоснабжения

могут быть классифицированы по различным критериям:

по назначению:

1. системы горячего водоснабжения (ГВС);

2. системы отопления;

3. комбинированные системы;

По виду используемого теплоносителя:

1. жидкостные;

2. воздушные;

По продолжительности работы:

1. круглогодичные;

2. сезонные;

По техническому решению схемы:

1. одноконтурные;

2. двухконтурные;

3. многоконтурные.

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне 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 по сравнению с водяными системами.

Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. 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 способствует более 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 дополнительный источник 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 применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис.4.1.2. Она включает три контура циркуляции:

первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;

третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения; 8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.

Функционирование

Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак- аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.

Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.

Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

Принципиальная схема одноконтурной термосифонной системы солнечного горячего водоснабжения

Особенностью систем является то, что в случае термосифонной системы нижняя точка бака- аккумулятора должна располагаться выше верхней точки коллектора и не далее 3-4 м. от коллекторов, а при насосной циркуляции теплоносителя расположение бака-аккумулятора может быть произвольным.

Селективные покрытия

По типу механизма, ответственного за избирательность оптических свойств, различают четыре группы селективных покрытий:

1) собственные;

2) двухслойные, у которых верхний слой обладает большим коэффициентом поглощения в видимой области и малым в ИК-области, а нижний слой – высоким коэффициентом отражения в ИК-области;

3) с микрорельефом, обеспечивающим требуемый эффект;

4) интерференционные.

Собственной избирательностью оптических свойств обладает небольшое число известных материалов, например W, Cu 2 S, HfC.

Интерференционные селективные поверхности образованы несколькими перемежающимися слоями металла и диэлектрика, в которых коротковолновое излучение гасится за счет интерференции, а длинноволновое – свободно отражается.

Классификация и основные элементы гелиосистем

Системами солнечного отопления называются системы, использующие в качестве теплоисточника энергию солнечной радиации. Их характерным отличием 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 солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве 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)).

Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

По назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);

По виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);

По продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

По техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник 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 применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на 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.

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР

ГЛАВНОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ
СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

РД 34.20.115-89

СЛУЖБА ПЕРЕДОВОГО ОПЫТА ПО «СОЮЗТЕХЭНЕРГО»

Москва 1990

РАЗРАБОТАНО Государственным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского

ИСПОЛНИТЕЛИ М.Н. ЕГАЙ, О.М. КОРШУНОВ, А.С. ЛЕОНОВИЧ, В.В. НУШТАЙКИН, В.К. РЫБАЛКО, Б.В. ТАРНИЖЕВСКИЙ, В.Г. БУЛЫЧЕВ

УТВЕРЖДЕНО Главным научно-техническим управлением энергетики и электрификации 07.12.89 г.

Начальник В.И. ГОРИЙ

Срок действия устанавливается

с 01.01.90

до 01.01.92

Настоящие Методические указания устанавливают порядок выполнения расчета и содержат рекомендации по проектированию систем солнечного теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений.

Методические указания предназначены для проектировщиков и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения.

. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

где f - доля полной среднегодовой тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии;

где F - площадь поверхности СК, м 2 .

где Н - среднегодовая суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт · ч/м 2 ; находится из приложения ;

а, b - параметры, определяемые из уравнения () и ()

где r - характеристика теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций здания при фиксированном значении нагрузки ГВС, представляет собой отношение суточной нагрузки отопления при температуре наружного воздуха равной 0 °С к суточной нагрузке ГВС. Чем больше r , тем больше доля отопительной нагрузки по сравнению с долей нагрузки ГВС и тем менее совершенной является конструкция здания с точки зрения тепловых потерь; r = 0 принимается при расчете только системы ГВС. Характеристика определяется по формуле

где λ - удельные тепловые потери здания, Вт/(м 3 · °С);

m - количество часов в сутках;

k - кратность вентиляционного обмена воздуха, 1/сут;

ρ в - плотность воздуха при 0 °С, кг/м 3 ;

f - коэффициент замещения, ориентировочно принимается от 0,2 до 0,4.

Значения λ , k , V , t в , s закладываются при проектировании ССТ.

Значения коэффициента α для солнечных коллекторов II и III типов

	Значения коэффициентов
	α 1	α 2	α 3	α 4	α 5	α 6	α 7	α 8	α 9
	607,0	80,0		1340,0	437,5	22,5	1900,0	1125,0	25,0
	298,0	148,5	61,5	150,0	1112,0	337,5	700,0	1725,0	775,0

Значения коэффициента β для солнечных коллекторов II и III типов

	Значения коэффициентов
	β 1	β 2	β 3	β 4	β 5	β 6	β 7	β 8	β 9
	1,177	0,496	0,140			0,995	3,350	5,05	1,400
	1,062	0,434	0,158	2,465	2,958	1,088	3,550	4,475	1,775

Значения коэффициентов а и b находятся из табл. .

Значения коэффициентов а и b в зависимости от типа солнечного коллектора

	Значения коэффициентов
		0,75
		0,80

где q i - удельная годовая теплопроизводительность СГВС при значениях f , отличных от 0,5;

Δq - изменение годовой удельной теплопроизводительности СГВС, %.

Изменение значения удельной годовой теплопроизводительности Δq от годового поступления солнечной радиации на горизонтальную поверхность H и коэффициента f

. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ где З с - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии ССТ, руб./ГДж; З б - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии базовой установкой, руб./ГДж. где С c - приведенные затраты на ССТ и дублер, руб./год; где к с - капитальные затраты на ССТ, руб.; к в - капитальные затраты на дублер, руб.; E н - нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений (0,1); Э с - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на ССТ; Э в - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на дублер; Ц - стоимость единицы тепловой энергии, вырабатываемой дублером, руб./ГДж; N д - количество тепловой энергии, вырабатываемой дублером в течение года, ГДж; к э - эффект от снижения загрязнения окружающей среды, руб.; к п - социальный эффект от экономии зарплаты персонала, обслуживающего дублер, руб. Удельные приведенные затраты определяются по формуле где С б - приведенные затраты на базовую установку, руб./год;	Определение термина
	Солнечный коллектор	Устройство для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую и другие виды энергии
Часовая (суточная, месячная и т.д.) теплопроизводительность	Количество тепловой энергии, отводимой от коллектора за час (сутки, месяц и т.д.) работы
Плоский солнечный коллектор	Нефокусирующий солнечный коллектор с поглощающим элементом плоской конфигурации (типа «труба в листе», только из труб и т.п.) и плоской прозрачной изоляцией
Площадь тепловоспринимающей поверхности	Площадь поверхности поглощающего элемента, освещенная солнцем в условиях нормального падения лучей
Коэффициент тепловых потерь через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора)	Поток тепла в окружающую среду через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора), отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности, при разности средних температур поглощающего элемента и наружного воздуха в 1 °С
Удельный расход теплоносителя в плоском солнечном коллекторе	Расход теплоносителя в коллекторе, отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности
Коэффициент эффективности	Величина, характеризующая эффективность переноса тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю и равная отношению фактической теплопроизводительности к теплопроизводительности при условии, что все термические сопротивления передачи тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю равны нулю
Степень черноты поверхности	Отношение интенсивности излучения поверхности к интенсивности излучения черного тела при той же температуре
Пропускательная способность остекления	Пропускаемая прозрачной изоляцией доля солнечного (инфракрасного, видимого) излучения, падающего на поверхность прозрачной изоляции
Дублер	Традиционный источник тепловой энергии, обеспечивающий частичное или полное покрытие тепловой нагрузки и работающий в сочетании с системой солнечного теплоснабжения
Система солнечного теплоснабжения	Система, обеспечивающая покрытие нагрузки отопления и горячего водоснабжения за счет солнечной энергии

Приложение 2

Теплотехнические характеристики солнечных коллекторов

	Тип коллектора
Общий коэффициент тепловых потерь U L , Вт/(м 2 · °С)
Поглощательная способность тепло-приемной поверхности α	0,95	0,90	0,95
Степень черноты поглощательной поверхности в диапазоне рабочих температур коллектора ε	0,95	0,10	0,95
Пропускательная способность остекления τ п	0,87	0,87	0,72
Коэффициент эффективности F R	0,91	0,93	0,95
Максимальная температура теплоносителя, °С
Примечани е. I - одностекольный неселективный коллектор; II - одностекольный селективный коллектор; III - двухстекольный неселективный коллектор.

Приложение 3

Технические характеристики солнечных коллекторов

	Изготовитель
	Братский завод отопительного оборудования	Спецгелиотепломонтаж ГССР	КиевЗНИИЭП	Бухарский завод гелиоаппаратуры
Длина, мм	1530	1000 - 3000	1624	1100
Ширина, мм			1008
Высота, мм		70 - 100
Масса, кг	50,5	30 - 50
Тепловоспринимающая поверхность, м		0,6 - 1,5		0,62
Рабочее давление, МПа		0,2 - 0,6

Приложение 4

Технические характеристики проточных теплообменников типа ТТ

	Диаметр наружный/внутренний, мм		Проходное сечение		Поверхность нагрева одной секции, м 2	Длина секции, мм	Масса одной секции, кг
			внутренней трубы, см 2	кольцевого канала, см 2
	внутренней трубы	наружной трубы
ТТ 1-25/38-10/10	25/20	38/32	3,14	1,13		1500
ТТ 2-25/38-10/10	25/20	38/32	6,28	6,26		1500

Приложение 5

Годовой приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность (Н), кВт · ч/м 2

Азербайджанская ССР
Баку	1378
Кировобад	1426
Мингечаур	1426
Армянская ССР
Ереван	1701
Ленинакан	1681
Севан	1732
Нахичевань	1783
Грузинская ССР
Телави	1498
Тбилиси	1396
Цхакая	1365
Казахская ССР
Алма-Ата	1447
Гурьев	1569
Форт-Шевченко	1437
Джезказган	1508
Ак-Кум	1773
Аральское море	1630
Бирса-Кельмес	1569
Кустанай	1212
Семипалатинск	1437
Джаныбек	1304
Колмыково	1406
Киргизская ССР
Фрунзе	1538
Тянь-Шань	1915
РСФСР
Алтайский край
Благовещенка	1284
Астраханская область
Астрахань	1365
Волгоградская область
Волгоград	1314
Воронежская область
Воронеж	1039
Каменная степь	1111
Краснодарский край
Сочи	1365
Куйбышевская область
Куйбышев	1172
Курская область
Курск	1029
Молдавская ССР
Кишинев	1304
Оренбургская область
Бузулук	1162
Ростовская область
Цимлянск	1284
Гигант	1314
Саратовская область
Ершов	1263
Саратов	1233
Ставропольский край
Ессентуки	1294
Узбекская ССР
Самарканд	1661
Тамдыбулак	1752
Тахнаташ	1681
Ташкент	1559
Термез	1844
Фергана	1671
Чурук	1610
Таджикская ССР
Душанбе	1752
Туркменская ССР
Ак-Молла	1834
Ашхабад	1722
Гасан-Кули	1783
Кара-Богаз-Гол	1671
Чарджоу	1885
Украинская ССР
Херсонская область
Херсон	1335
Аскания Нова	1335
Сумская область
Конотоп	1080
Полтавская область
Полтава	1100
Волынская область
Ковель	1070
Донецкая область
Донецк	1233
Закарпатская область
Берегово	1202
Киевская область
Киев	1141
Кировоградская область
Знаменка	1161
Крымская область
Евпатория	1386
Карадаг	1426
Одесская область
	30,8	39,2	49,8	61,7	70,8	75,3	73,6	66,2	55,1	43,6	33,6	28,7
	28,8	37,2	47,8	59,7	68,8	73,3	71,6	64,2	53,1	41,6	31,6	26,7
	26,8	35,2	45,8	57,7	66,8	71,3	69,6	62,2	51,1	39,6	29,6	24,7
	24,8	33,2	43,8	55,7	64,8	69,3	67,5	60,2	49,1	37,6	27,6	22,7
	22,8	31,2	41,8	53,7	62,8	67,3	65,6	58,2	47,1	35,6	25,6	20,7
	20,8	29,2	39,8	51,7	60,8	65,3	63,6	56,2	45,1	33,6	23,6	18,7
	18,8	27,2	37,8	49,7	58,8	63,3	61,6	54,2	43,1	31,6	21,6	16,7
	16,8	25,2	35,8	47,7	56,8	61,3
Температура кипения, °С	106,0	110,0	107,5	105,0	113,0
Вязкость, 10 -3 Па · с:
при температуре 5 °С		5,15		6,38
при температуре 20 °С					7,65
при температуре -40 °С	7,75	35,3		28,45
Плотность, кг/м 3				1077	1483 - 1490
Теплоемкость кДж/(м 3 · °С):
при температуре 5 °С	3900	3524
при температуре 20 °С				3340	3486
Коррозионная способность	Сильная	Средняя	Слабая	Слабая	Сильная
Токсичность	Нет	Средняя	Нет	Слабая	Нет

Примечани е. Теплоносители на основе углекислого калия имеют следующие составы (массовая доля):

Рецептура 1 Рецептура 2

Калий углекислый, 1,5-водный 51,6 42,9

Натрий фосфорнокислый, 12-водный 4,3 3,57

Натрий кремнекислый, 9-водный 2,6 2,16

Натрий тетраборнокислый, 10-водный 2,0 1,66

Флуоресцоин 0,01 0,01

Вода До 100 До 100

Доктор технических наук Б.И.Казанджан
Московский Энергетический Институт
(технический университет), Россия
Журнал Энергия, №12, 2005.

1. Введение.

Основными причинами, побудившими человечество заняться широкомасштабным промышленным освоением возобновляемых источников энергии являются:
-климатические изменения обусловленные увеличением содержания СО2 в атмосфере;
-сильная зависимость многих развитых стран, особенно европейских, от импорта топлива;
-ограниченность запасов органического топлива на Земле.
Недавнее подписание Киотского протокола большинством развитых стран мира поставило на повестку дня ускоренное развитие технологий способствующих сокращению выбросов СО2 в окружающую среду. Стимулом для развития этих технологий является не только осознание угрозы изменения климата и связанных с этим экономических потерь, но и тот факт, что квоты на выброс парниковых газов стали товаром, имеющим вполне реальную стоимость. Одной из технологий, позволяющей снизить расход органического топлива и уменьшить выбросы СО2, является производство низкопотенциального тепла для систем горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования воздуха, технологических и иных нужд за счет солнечной энергии. В настоящее время более 40% первичной энергии расходуемой человечеством приходится на покрытие именно этих потребностей, и именно в этом секторе технологии использования солнечной энергии являются наиболее зрелыми и экономически приемлемыми для широкого практического использования. Для многих стран использование солнечных систем теплоснабжения - это еще и способ уменьшить зависимость экономики от импорта ископаемых топлив. Эта задача особенно актуальна для стран Европейского Союза, экономика которого уже сейчас на 50% зависит от импорта ископаемых энергоресурсов, а до 2020 года эта зависимость может возрасти до 70%, что является угрозой экономической независимости этого региона

2.Масштабы использования солнечных систем теплоснабжения

О масштабах современного использования солнечной энергии для нужд теплоснабжения свидетельствуют следующие статистические данные .
Общая площадь солнечных коллекторов установленных в странах ЕС к концу 2004 года достигла 13960000 м2, а в мире превысила 150000000 м2. Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12% , а в отдельных странах достигает уровня 20-30% и более. По количеству коллекторов на тысячу жителей населения мировым лидером является Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м2 солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия - 47%, далее следуют Греция - 14%, Австрия - 12%, Испания - 6%, Италия - 4%, Франция - 3%. Европейские страны являются бесспорными лидерами в разработке новых технологий систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объемах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок. Статистические данные по увеличению количества вводимых в эксплуатацию солнечных коллекторов в мире по итогам 2004 года дают следующее распределение: Китай - 78%, Европа - 9%, Турция и Израиль - 8%, остальные страны - 5%.
По экспертной оценке ESTIF (Европейская Федерация промышленности солнечных тепловых установок) технико-экономический потенциал по использованию солнечных коллекторов в системах теплоснабжения только в странах ЕС составляет более 1,4 млрд.м2 способных производить более 680 000 ГВтч тепловой энергии в год. Планы на ближайшую перспективу предусматривают установку в этом регионе 100 000000 м2 коллекторов к 2010 году.

3. Солнечный коллектор - ключевой элемент солнечной системы теплоснабжения

Солнечный коллектор является основным компонентом любой солнечной системы теплоснабжения. Именно в нем происходит преобразование солнечной энергии в тепло. От его технического совершенства и стоимости зависит эффективность работы всей системы солнечного теплоснабжения и ее экономические показатели.
В системах теплоснабжения используются в основном два типа солнечных коллекторов: плоский и вакуумный.

Плоский солнечный коллектор состоит из корпуса, прозрачного ограждения, абсорбера и тепловой изоляции (фиг.1).

Фиг. 1 Типичная конструкция плоского солнечного коллектора

Корпус является основной несущей конструкцией,.прозрачное ограждение пропускает солнечную радиацию внутрь коллектора, защищает абсорбер от воздейсквия внешней среды и уменьшает тепловые потери с лицевой стороны коллектора. Абсорбер поглощает солнечную радиацию и по трубкам соедененным с его теплоприемной поверхностью передает тепло теплоносителю. Тепловая изоляция уменьшает тепловые потери с тыльной и боковой поверхностей коллектора.
Теплоприемная поверхность абсорбера имеет селективное покрытие, имеющее высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной области солнечного спектра и низкий коэффициент излучения в области спектра соответствующего рабочим температурам коллектора. У лучших современных коллекторов коэффициет поглощения находитвя в пределах 94-95%, коэффициет излучения 3-8%, а кпд в области рабочих температур типичных для систем теплоснабжения превышает 50% Неселективное черное покрытие абсорбера в современных коллекторах используется редко из-за высоких потерь на излучение. На рис 2 показаны примеры современных плоских коллекторов.

В вакуумных коллекторах (рис 3) каждый элемент абсорбера помещается в отдельную стеклянную трубу, внутри которой создается вакуум, благодаря чему потери тепла за счет конвекции и теплопроводности воздуха подавяются практически полностью. Селективное покрытие на поверхности абсорбера позволяет минимизировать потери на излучение. В результате к.п.д вакуумного коллектора получается существенно выше чем у плоского коллектора, на и стоимость его заначительно выше.

аб

Рис 2 Плоские солнечные коллектры

а) фирма Вагнер, б) фирма Ферон

а б

Рис 3 Вакуумный коллектор фирмы Виссман
а) общий вид, б) монтажная схема

3. Тепловые схемы солнечных систем теплоснабжения

В мировой практике наиболее широко распространены малые системы солнечного теплоснабжения. Как правило, такие системы включают в себя солнечные коллекторы общей площадью 2-8м2, бак аккумулятор, емкость которого определяется площадью используемых коллекторов, циркуляционный насос или насосы (в зависимости от типа тепловой схемы) и другое вспомогательное оборудование. В небольших системах, циркуляция теплоносителя между коллектором и баком-аккумулятором может осуществяться и без насоса, за счет естественной конвекции (термосифонный принцип). В этом случае бак-аккумулятор должен располагаться выше коллектора. Простейшим типом таких установок является коллектор, спаренный с баком аккумулятором, расположенным на верхнем торце коллектора (рис.4). Системы такого типа используются обычно для нужд горячего водоснабжения в небольших односемейных домах коттеджного типа.

Рис.4 Термосифонная солнечная система теплоснабжения.

На Рис. 5 показан пример активной системы большего размера, в которой бак аккумулятор расположен ниже коллекторов и циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса. Такие системы используются для нужд и горячего водоснабжения и отопления. Как правило, в активных системах, участвующих в покрытии части нагрузки отопления, предусматривается дублирующий источник тепла, использующий электроэнергию или газ.

Рис 5 Тепловая схема активной солнечной системы горячего водоснабжения и отопления

Сравнительно новым явлением в практике использования солнечного теплоснабжения являются крупные системы способные обеспечить нужды горячего водоснабжения и отопления многоквартирных домов или целых жилых кварталов. В таких системах используется либо суточное, либо сезонное аккумулирование тепла.
Суточное аккумулирование предполагает возможность работы системы с использованием накопленного тепла в течение нескольких суток, сезонное - в течение нескольких месяцев.
Для сезонного аккумулирования тепла используют большие подземные резервуары, наполненные водой, в которые сбрасываются все излишки тепла, получаемого от коллекторов в течение лета. Другим вариантом сезонного аккумулирования является прогрев грунта с помощью скважин с трубами, по которым циркулирует горячая вода, поступающая от коллекторов.

В таблице 1. приведены основные параметры крупных солнечных систем с суточным и сезонным аккумулированием тепла в сравнении с малой солнечной системой для односемейного дома.

Тип системы
Площадь коллекторов в расчете на одного человека м2/чел
Объем теплового аккумулятора, л/м2кол
Доля нагрузки горячего водоснабжения покрываемая за счет солнечной энергии %
Доля общей нагрузки, покрываемая за счет солнечной энергии
Стоимость тепла получаемого за счет солнечной энергии для условий Германии Евро/кВтч

1. Солнечные коллекторы.

Солнечный коллектор является основным элементом установки, в которой энергия излучения Солнца преобразуется в другую форму полезной энергии. В отличие от обычных теплообменников, в которых происходит интенсивная передача тепла от одной жидкости к другой, а излучение несущественно, в солнечном коллекторе перенос энергии к жидкости осуществляется от удаленного источника лучистой энергии. Без концентрации солнечных лучей плотность потока падающего излучения составляет в лучшем случае -1100 Вт/м 2 и является переменной величиной. Длины волн заключены в интервале 0,3 - 3,0 мкм. Они значительно меньше величин длин волн собственного излучения большинства поверхностей, поглощающих излучение. Таким образом, исследование солнечных коллекторов связано с уникальными проблемами теплообмена при низких и переменных плотностях потока энергии и относительно большой роли излучения.

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

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

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

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

Рис.1. Принципиальная схема плоского солнечного коллектора.

а) 1 - прозрачные покрытия; 2 - изоляция; 3 - труба с теплоносителем; 4 - поглощающая поверхность;

б) 1.поверхность, поглощающая солнечную радиацию, 2-каналы теплоносителя, 3-стекло(??), 4-корпус,

5- тепловая изоляция.

Рис.2 Солнечный коллектор типа лист - труба.

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

7 - изоляция.

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

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

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

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

Кроме этих потерь в коллекторе любой конструкции присутствуют потери теплоты в окружающую среду Q пот, которые учитываются тепловым КПД, который равен отношению количества полезной теплоты, отведенной от коллектора за определенное время, к количеству энергии излучения, поступающей к нему от Солнца за то же время:

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

Оптический и тепловой КПД коллектора связаны отношением

Тепловые потери характеризуются полным коэффициентом потерь U

где Т а - температура черной поверхности, абсорбирующей солнечную радиацию; Т о -температура окружающей среды.

Величина U с достаточной для расчетов точностью может считаться постоянной. В этом случае подстановка Q пот в формулу для теплового кпд приводит к уравнению

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

где T t = (Т вх + Т вых) /2 - средняя температура теплоносителя; F" - параметр, обычно называемый «эффективностью коллектора» и характеризующий эффективность переноса теплоты от поверхности, поглощающей солнечную радиацию, к теплоносителю; он зависит от конструкции коллектора и почти не зависит от других факторов; типичные значения параметра F"≈: 0,8-0,9 - для плоских воздушных коллекторов; 0,9-0,95 - для плоских жидкостных коллекторов; 0,95-1,0 - для вакуумных коллекторов.

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

Рис. 4. Типы вакуумных коллекторов.

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