Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
2.2.7. Виды активных гелиосистем Основными элементами активной солнечной системы является: гелиоколлектор, аккумулятор теплоты, дополнительный источник или трансформатор теплоты (тепловой насос), потребитель (системы отопления и горячего водоснабжения зданий). Активные гелиосистемы по техническому решению схем делятся на одно-, двух- и многоконтурные, а по продолжительности работы делятся на круглогодичные и сезонные. Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы (например, в летних детских лагерях). Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации. Гелиосистемы круглогодичного действия 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). Они включают дополнительный источник теплоты в виде теплогенератора или трансформатора теплоты. Простейшая гелиоустановка (рис. 2.13, а), действующая в теплое время года (апрель–октябрь), включает в себя несколько коллекторов 1, из которых набирается гелиополе необходимой площади. Коллекторы лицевой стороной «смотрят» на юг и устанавливаются под углом, оптимальным для данной географической широты. Теплообменник помещается в герметичный «ящик» с термоизоляцией в донной части и с прозрачным покрытием на лицевой стороне. Для повышения эффективности гелиосистемы необходимо задействовать максимальное число элементов теплообменников. Для этого коллекторы целесообразно соединить между собой и с системой трубопроводов диагональным способом. Условие самопроизвольного функционирования гелиоустановки за счет нагрева и естественной циркуляции воды – размещение бака-аккумулятора 2 выше коллекторов. После открытия вентиля 3 в транзитном трубопроводе вода самотеком заполняет теплообменники коллекторов. При воздействии прямых солнечных лучей и рассеянной в атмосфере тепловой энергии в воздушной «подушке» коллектора – под прозрачным покрытием – создается микроклимат, и вода быстро разогревается и, естественно, расширяется. Это вызывает термосифонный эффект (естественную циркуляцию) – поступление по трубопроводу теплой воды в бак и отбор из его нижней части новой порции – менее нагретой – воды в коллекторы. В летнее время температура воды в баке достигает 60–80°С. Из бака горячую воду посредством трубопровода можно забирать для различных нужд или подавать в систему теплоснабжения. По мере расходования горячей воды бак автоматически пополняется «сырой водой».  а б Рис. 2.13. Одноконтурная схема с естественной циркуляцией (а) и двухконтурная с принудительной циркуляцией (б) теплоносителя солнечных водонагревательных установок: 1 – солнечный коллектор, 2 – аккумулятор тепла, 3 – вентиль, 4 – насос, 5 – резервный источник тепла, 6 – расширительный бачок, 7 – теплообменник В последние годы получают некоторое распространение всесезонные (круглогодичного действия) двухконтурные гелиоустановки. В таких установках расположенные вне помещения коллекторы 1(рис. 2.13. б) принадлежат первому контуру, в котором в качестве теплоносителя применяют незамерзающую жидкость, например, антифриз. Второй контур, бак-аккумулятор 2 (вместимостью 500 и более литров) и дополнительный нагреватель 7 находится в обогреваемом помещении, где теплоноситель, как правило, вода. Двухконтурные гелиосистемы в ограниченных количествах потребляют электроэнергию для задействования, в частности, электроприводного насоса 4, предназначенного для прокачки теплоносителя в первом контуре. При этом имеется возможность регулировать скорость прокачки теплоносителя, в наиболее холодное время года включают максимальную скорость прокачки. Из-за трения теплоносителя в трубопроводах и теплообменниках коллекторов, а также некоторого нагрева носителя в коллекторах от солнечных лучей (даже в зимнее время) температура носителя достигает 120С. Это тепло, посредством змеевика 5, нагревает воду в баке (расчетная температура 63С). По мере повышения температуры окружающей среды скорость прокачки носителя уменьшают. Изменение объема носителя вследствие его нагрева в первом (герметичном) контуре компенсирует расширительный бачок 6. Бак-аккумулятор должен быть достаточно велик, чтобы обеспечить двухдневный запас горячей воды. Так как эффективность солнечного коллектора снижается с увеличением разности температур первичного контура и окружающей среды, температуру первичного контура следует поддерживать на возможно более низком уровне. Для этого следует обеспечить небольшой перепад температур в теплообменнике, воспрепятствовать перемешиванию в баке и обеспечить подвод тепла только в самую холодную нижнюю часть бака. Нагретая вода должна поступать в верхнюю самую теплую часть бака. Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем: Высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования оказываются экономически нерентабельными. Необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя за счет нарушения целостности остекления из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления, без больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии. 2.2.8. Гелиосистема с абсорбером Солнечные абсорберы состоят из тепловоспринимающей панели с каналами, по которым циркулирует теплоноситель и предназначены для нагрева теплоносителя до температуры окружающей среды. Теплоноситель подается в абсорбер с постоянной температурой на 3–5С ниже температуры окружающего воздуха. Охлаждение теплоносителя производится с помощью теплового насоса (рис. 2.14). К устройству солнечных абсорберов предъявляются следующие требования: высокие поглотительные свойства поверхности за счет ее структуры, цвета, ориентации, высокие теплопроводность, долговечность (коррозионностойкость), низкая стоимость. Преимущества солнечных абсорберов: В солнечном абсорбере полезно используется не только прямое и рассеянное солнечное излучение, но и теплота атмосферного воздуха и осадков. Возможна также утилизация теплопотерь через ограждающие конструкции при совмещении с ними абсорбера.  Рис 2.14. Двухконтурная комбинированная низкотемпературная система солнечного отопления с абсорбером, тепловым насосом и двумя жидкостными теплоаккумуляторами: 1 – солнечный абсорбер; 2 – низкотемпературный жидкостный теплоаккумулятор; 3 – испаритель теплового насоса; 4 – компрессор; 5 – дроссельный вентиль; 6 – высокотемпературный жидкостной теплоаккумулятор; 7 – конденсатор теплового насоса; 8 – дополнительный теплоисточник; 9 – циркуляционный насос Солнечные абсорберы фактически не имеют потерь тепла. Лишь 5–10% падающей на их поверхность солнечной радиации отражается от нее в зависимости от цвета и качества покрытия. Абсорберы не требуют очистки от пыли, так как она увеличивает коэффициент поглощения солнечной радиации. Собственное тепловое излучение абсорбера на небосвод и окружающие поверхности отсутствует. Следовательно, тепловоспринимающая панель не изолируется остеклением со стороны, обращенной к солнцу, а частично и теплоизоляцией с обратной стороны. В связи с этим отпадает необходимость в корпусе, что значительно снижает стоимость данной конструкции по сравнению с солнечными коллекторами. Солнечные абсорберы устанавливаются на кровле или могут служить ее конструктивным элементом, а также применяются в виде облицовочных стен, балконных ограждений или элементов ограды. При этом из-за их небольшого веса, в отличие от установки солнечных коллекторов, не требуется усиления несущих конструкций. В качестве абсорбционных гелиоприемников чаще всего используются тепловоспринимающие панели двух типов: типа лист-труба и штампованные панели из алюминия к стали. Конструкция типа лист-труба обычно включает металлический лист, к которому привариваются трубы круглого сечения. Недостатками этой конструкции являются небольшая площадь контакта труб с листом и разрушение их металла при сварке, что приводит к ускорению коррозии в местах сварки. Недостаток второго типа тепловоспринимающей панели – низкая долговечность, так как такая панель быстро коррозирует с внутренней стороны. Недостаток солнечных абсорберов – необходимость поддержания постоянно низкого температурного уровня теплоносителя, из-за чего сложно его использование для отопления и горячего водоснабжения зданий в зимний период. 2.2.9. Целесообразность применения гелиосистем в Беларуси Учитывая то, что в ряде стран, близких по климатическим условиям к Беларуси, гелиосистемы стали традиционным инженерным оборудованием зданий, нельзя не обратить внимания на потенциал солнечной энергии нашей страны. А он достаточен в той степени, чтобы широко его использовать. Солнечнее коллекторы являются основными элементами гелиосистем. Примерные характеристики конкурентоспособных образцов: коэффициент эффективности отвода тепла – 0,93–0,99; средняя поверхностная плотность – 15–25 кг/м2; общий объем каналов для теплоносителя – 0,3–2,0 л/ м2; срок службы – 20–25 лет. Отечественные коллекторы почти по всем параметрам значительно уступают зарубежным аналогам. Но работа в рассматриваемой области в нашей стране ведется. В результате анализа имеющего оборудования и технологий можно сделать следующие выводы о целесообразности применения гелиосистем в Беларуси: 1. В энергоэффективных зданиях можно применять гелиосистемы для предварительного подогрева водопроводной воды, поступающей в системы горячего водоснабжения и отопления. Однако отопление только за счет солнечной энергии на данный момент в Беларуси не эффективно. В дополнение к солнечной системе для целей отопления необходимо использовать либо тепловые насосы, либо котлы. 2. Наиболее широкое распространение должны получить системы горячего водоснабжения объектов сезонного функционирования: детско-юношеских лагерей, баз отдыха и туризма, санаториев, душевых установок для пляжей, а также дачные постройки. В данном случае следует применять одноконтурные водяные гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя без дополнительных источников тепла. 3. Большие перспективы имеет использование солнечной энергии в сельском хозяйстве (растениеводство в теплицах, сушка овощей, фруктов и других продуктов, теплоснабжение животноводческих помещений и т.д.). Следует отметить, что стоимость тепловой энергии, получаемой посредством гелиосистем за рубежом, колеблется в диапазоне 0,005–0,040 долларов США за 1 кВтч. Предполагается, что к 2020 г. стоимость солнечных коллекторов в западных странах снизится до 50–100 долларов США за 1 м2 (белорусские же коллекторы уже теперь стоят столько), а тепловой энергии – до 0,004–0,020 долларов США за 1 кВтч. 2.2.10. Другие тепловые способы применения солнечной энергии Солнечное излучение можно использовать для просушивания зерна, для охлаждения воздуха и для других целей, которые имеют важное значение для народного хозяйства. Сушка зерна. Значительная часть урожая зерна в мире теряется вследствие поражения плесневым грибком, которое можно предупредить правильным просушиванием. Влагосодержание (процентное содержание влаги в пробе зерна) определяется согласно формуле  ,где m – полная масса пробы зерна, m0– масса сухого вещества пробы зерна. Процесс просушивания проходит неравномерно. Большая часть влаги содержится в сельскохозяйственных продуктах в виде жидкости, попавшей в поры, которая быстро теряется после уборки урожая. Оставшаяся часть воды, обычно 30–40%, связана с продуктом химически, и поэтому удалить ее труднее. Важно, что зерно необходимо просушить быстро (в течение нескольких дней), при этом температура сушки ограничена. Поэтому сушить зерно лучше всего нагретым солнечным излучением воздухом. Во время просушивания зерно будет отдавать влагу окружающему воздуху до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие содержания влаги, значение которого для данного продукта зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. В процессе испарения влаги, воздух будет охлаждаться. При этом будет соблюдаться баланс между подводимым теплом и теплом парообразования:  ,где  – масса влаги в зерне, r – удельная теплота парообразования воды, с – теплоемкость воздуха при постоянном давлении и средней температуре, G– массовый расход воздуха, t – изменение температуры воздуха, – время сушки.Охлаждение воздуха. На охлаждение молока на молочных фермах расходуется значительная часть энергетических ресурсов. Этот процесс можно осуществлять с использованием энергии солнечного излучения в сорбционных холодильных машинах. Сорбция это процесс поглощения одного вещества другим с выделением тепла. Процесс сорбции при одинаковой температуре проходит при более низком давлении, а обратный процесс (десорбция) при более высоком давлении. Сорбционные трансформаторы тепла можно разделить на два типа: абсорбционные и адсорбционные. В абсорбционных трансформаторах используются жидкие сорбенты, поглощающие газообразные вещества всей массой, а в адсорбционных – твердые, поглощающие вещества поверхностным слоем. Наиболее распространены абсорбционные трансформаторы тепла, упрощенная схема которого дана на рис. 2.15. Если сравнить этот трансформатор с компрессионным, можно увидеть, что вместо компрессора он содержит такие элементы, как абсорбер, насос, генератор и дополнительный дроссель, которые «выполняют» функции компрессора. В абсорбционных трансформаторах в качестве рабочего вещества используются двухкомпонентные (бинарные) смеси с различной температурой кипения. Рабочий агент имеет более низкую температуру кипения, а поглотитель (абсорбент) более высокую. Температура кипения смеси в зависимости от концентрации раствора изменяется от минимальной до максимальной. Наиболее распространенными являются водоаммиачные и бромисто-литиевые смеси. Рассмотрим принцип работы водоаммиачного абсорбционного трансформатора тепла (рис. 2.15). Теплота от внешнего источника Q0 передается рабочему веществу (аммиаку) в испарителе 1, там оно испаряется и затем поступает в абсорбер 5, где при низком давлении абсорбируется поглотителем (водой). Происходит насыщение раствора с выделением теплоты Qа. Затем раствор с помощью насоса 2 перекачивается в генератор 6, к которому подводится теплота солнечного излучения Qг. В генераторе при высоком давлении происходит десорбция с поглощением теплоты Qг. Затем обедненный поглотитель через дроссель возвращается в абсорбер, а рабочий агент поступает в конденсатор 3. При конденсации рабочего агента выделяется теплота Q1, которая отводится потребителю. Конденсат направляется в испаритель, и рабочий цикл завершается.  Рис. 2.15. Схемы абсорбционного трансформаторов тепла: 1 - испаритель; 2 - насос; 3 - конденсатор; 4 - дроссели; 5 - абсорбер; 6 – генератор. Общее количество полезной теплоты, получаемой с помощью сорбционного трансформатора тепла, равно Q1+Qа. Эффективность холодильной машины определяется отношением Q0/Qг. В абсорбционных трансформаторах тепла затраты энергии на перемещение насосом рабочего агента в жидкой фазе малы. Основные затраты энергии связаны с нагревом генератора. Это тепло может быть получено от солнечных нагревательных систем. 2.3. Фотоэлектрическая генерация Фотоэлектрическая генерация – это процесс прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Этот процесс становится возможным при использовании фотоэффекта – явления, происходящие в веществах при освещении их светом (т.е. воздействием электромагнитным излучением). Фотоэффект делится на два вида: фотоэлектрическая эмиссия (внешний фотоэффект) – выход электронов из металлов, вентильный фотоэффект (внутрений фотоэффект) – перемещение зарядов через границу раздела проводников с различными типами проводимости. Фотоэлектрическая генерация основана на существование вентильного фотоэффекта, который возникает при использовании полупроводников. |