Ответы на вопросы нетрадиционные источники энергии. Ответы на вопросы исправл. Работа одноконтурной термосифонной системы для прямого нагрева воды
 Скачать 0.97 Mb.
|
Вопрос №11. коэффициент замещения тепловой нагрузки потребителя системой солнечного теплоснабжения – это Доля тепловой нагрузки потребителя, обеспечиваемой за счет солнечной энергии. (доля покрытия нагрузки - solar fraction, Энергия, вырабатываемая солнечной частью системы, деленная на суммарный расход тепла всей системы (без тепловых потерь системы). Зависит от погодных условий, частоы солнечных дней в году и инсоляции солнечного излучения. Вопрос №12 Система с одним контуром – используют для отопления дома. Нагретый таким способом теплоноситель используют как добавку к теплоносителю, который подогрели традиционным методом. В этом случае нагретый теплоноситель переходит в отопительную систему, после которой опять переносится в приемный резервуар и в коллектор. Двухконтурная нагревательная система – самая универсальная. Есть возможность использования таковой для отопления зимой или для водоснабжения. Системы с активной циркуляцией теплоносителя бывают одноконтурные и двухконтурные. В одноконтурной системе потребляемая горячая вода циркулирует через солнечный коллектор и бак. В двухконтурной системе контуры циркуляции солнечного коллектора и расходной воды разделены. Это позволяет заливать в контур солнечного коллектора незамерзающую жидкость и эксплуатировать систему в круглогодичном режиме. Передача тепла от солнечного коллектора баку аккумулятору происходит через теплообменник, который обычно встроен в бак-аккумулятор (хотя может быть и внешним). Принципиальная схема одноконтурной термосифоннойсистемы солнечного горячего водоснабжения.  Работа одноконтурной термосифонной системы для прямого нагрева воды Коллекторы, бак-аккумулятор и соединительные трубопроводы системы заполнены холодной водой. Солнечное излучение, проходя через прозрачное покрытие (остекление) коллектора нагревает его поглощающую панель и воду в её каналах. При нагреве плотность воды уменьшается и нагретая жидкость начинает перемещаться в верхнюю точку коллектора и далее по трубопроводу – в бак-аккумулятор. В баке нагретая вода перемещается в верхнюю точку, а более холодная вода размещается в нижней части бака, т.е. наблюдается расслоение воды в зависимости от температуры. Более холодная вода из нижней части бака по трубопроводу поступает в нижнюю часть коллектора. Таким образом, при наличии достаточной солнечной радиации, в коллекторном контуре устанавливается постоянная циркуляция, скорость и интенсивность которой зависят от плотности потока солнечного излучения. Постепенно, в течение светового дня, происходит полный прогрев всего бака, при этом отбор воды для использования должен производиться из наиболее горячих слоев воды, располагающихся в верхней части бака. Обычно это делается подачей холодной воды в бак снизу под давлением, которая вытесняет нагретую воду из бака. Работа двухконтурной термосифонной системы. Работа такой системы аналогична работе одноконтурной системы, но в системе имеется отдельный замкнутый коллекторный контур, состоящий из коллекторов, трубопроводов и теплообменника в баке-аккумуляторе. Этот контур заправляется специальным (как правило, незамерзающим) теплоносителем. При нагреве теплоносителя в коллекторе он поступает в верхнюю часть теплообменника, отдает тепло воде в баке и охлаждаясь движется вниз ко входу в коллекторы, осуществляя постоянную циркуляцию при наличии солнечной радиации. Полный прогрев бака происходит постепенно, в течение всего светового дня, но поскольку отбор воды к потребителю производится из наиболее прогретых верхних слоев, пользование горячей водой возможно и до полного прогрева.  Вопрос №13. В настоящее время одним из ключевых направлений развития современной экономики является энергоэффективность. Тепловое аккумулирование — это химические или физические процессы, которые позволяют накапливать тепло в тепловом аккумуляторе. Тепловой аккумулятор состоит из резервуара для хранения, аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и вспомогательного оборудования. Одним из способов сбережения энергии является использование так называемых аккумуляторов энергии (тепловых накопителей). Подобные установки способны сберечь энергию и обеспечить резерв в случае внезапного прекращения работы системы отопления. Основной целью аккумулирования энергии является преодоление, сглаживание несоответствий между подачей энергии потребителю и его реальными потребностями. Еще одной важной задачей аккумулирования энергии является выравнивание выработки энергии, то есть уменьшение подачи в период пиковых нагрузок и заполнение провалов тогда, когда энергия почти не используется. Тепловые накопители (аккумуляторы), как правило, работают на принципе накопления — выделения внутренней энергии. Это достигается за счет химических или физических процессов внутри аккумулятора. Например, за счет нагревания, охлаждения жидких или твердых тел, плавления и других обратимых реакций. [1–2] Нельзя обойти стороной так же вопрос экономической целесообразности, так как аккумулирование энергии позволяет значительно уменьшить затраты потребителя. Простой пример ячейки теплового накопителя приведен на рисунке 1. Вокруг канала с протекающим по нему теплоносителем расположено теплоаккумулирующее вещество. При заряде температура теплоносителя на входе в накопитель больше температуры на выходе из него. Протекая по каналу и остывая, горячий теплоноситель отдает энергию теплоаккумулирующему материалу. Рис. 1. Расчетная схема теплового накопителя с однофазным теплоаккумулирующим материалом Накопление энергии происходит за счет теплоемкости, температура материала возрастает. При разряде температура теплоносителя на входе в накопитель меньше температуры на выходе из него. Протекая по каналу, холодный теплоноситель нагревается за счет остывания теплоаккумулирующего материала. Температура материала понижается. [3] По аккумулирующей среде можно установить следующую классификацию аккумуляторов тепла: – прямое аккумулирование (теплообмен и аккумулирование происходят в одной среде) – косвенное аккумулирование (только теплообмен, процесс может протекать с фазовым переходом и без) – полупрямое аккумулирование – сорбционное (основано на способности некоторых веществ абсорбировать газы с выделением тепла) На сегодняшний день существует большое количество разных видов аккумуляторов энергии: паровые, жидкостные, с электронагревательным элементом, пневматические, со скользящим давлением, с постоянным давлением. Применение тепловых накопителей вразличных отраслях Самым распространенным и привычным для нас примером теплового накопителя в жилищно-коммунальном хозяйстве является накопительный водонагреватель. Подобная установка нашла широкое применение в домах, квартирах, дачах, а так же в промышленных зданиях, общественных центрах и т. д. и т. п. Устройство таких водонагревателей одновременно очень простое и экономически эффективное. Но в жилищно-коммунальном хозяйстве основными потребителями тепловой энергии являются системы отопления зданий. В случае отопления помещений применяется аккумулирование с использованием тепла фазового перехода (замораживание воды при 0°С). В странах, где затраты на охлаждение летом очень высоки и соизмеримы с затратами на отопление в летнее время, целесообразно применять аккумулирование посредством льда. Это позволяет получить двойной эффект от системы отопления. Возможности применения тепловых накопителей в жилищно-коммунальном хозяйстве активно обсуждаются в Европе и США. Еще одним современным примером теплового накопителя является топливный двигатель на солнечной энергии. Он применяется преимущественно в авиационной и космической технике. Работа солнечного теплового двигателя обеспечивается подведением энергии с помощью внешней концентрирующей системы к поглощающей поверхности приемника двигателя. Рабочее тело двигателя протекает внутри приемника и нагревается. Поступая затем в обычное реактивное сопло, оно расширяется и создает тягу [3–5]. Термодинамический цикл солнечного термического двигателя приведен на рисунке 2. Рис. 2. Идеальный термодинамический цикл солнечного термического двигателя Области применения солнечных термических двигателей: – перевод спутников с низких околоземных орбит на геостационарные – очистка космического мусора – полеты до орбит других планет Солнечной системы, включительно до орбиты Марса (двигатели мощностью 1–5 МВт); – поддержание орбит долговременных орбитальных станций (двигатели мощностью 10–20 кВт). Аккумуляторы энергии так же широко применяются в судостроении. Пассажирские малотоннажные суда, осуществляющие перевозки на морских и озерных линиях, как правило, имеют дизельные энергетические системы. В данном случае, главное целью их работы является обеспечение бортовых потребителей тепловой энергией необходимого качества и в достаточном количестве. Так как пуск судового дизеля должен происходить в некоторых случаях при температуре не ниже +15–20 градусов Цельсия, то соответственно необходим подогрев дизеля при низких температурах. Для этой цели могут применяться различные установки, например, дополнительные котлы и водоводяные холодильники. Для подогрева аккумулятора целесообразно использовать накопленное ранее отводимое тепло самого дизеля. Это позволяет отказаться от дополнительного расхода горюче-смазочных материалов. Экономия зависит от условий эксплуатации и может составлять от сотен килограммов до нескольких тонн. Применение теплового накопителя энергии позволяет снизить не только расход горюче-смазочных материалов, но также общее количество вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду при работе дизеля. Дорожные и транспортные средства с аккумуляторами теплоты. Тепловое аккумулирование в транспортных средствах представляет собой частный случай аккумулирования энергии для получения дополнительной мощности там, где в дополнение к временному несоответствию также возникает и локальное несоответствие между подачей и потреблением энергии. Определяющим фактором применения аккумулятора в транспортных средствах являются его объем и масса. Тепловые и пневматические накопители в транспортных средствах применяются наряду с электромеханическими, маховичными накопителями кинетической энергии и аккумуляторами топлива. В промышленных установках для кратковременного аккумулирования энергии широко применяются твердотельные регенераторы и аккумуляторы пар (горячая вода). Так же могу использоваться накопители, работающие на энергии воды нормального или повышенного давления. Основой задачей аккумуляторов энергии в промышленности является не столько непосредственная экономия энергии, сколько снижение потребления энергии извне, особенно в случае установок с комбинированной выработкой электричества и тепла. [3–8] Системы теплового аккумулирования энергии нашли широкое применение в энергетических установках, промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и транспортных средствах. Интерес к ним растет как в западных странах, так и в России. Так как вопросы энергоэффективности и энергосбережения всегда остаются актуальными, основные принципы аккумулирования энергии найдут свое применение и в будущих технологиях. Вопрос №14. В качестве дублирующего источника использован электрокотел, а для аккумулирования тепла на одни сутки используется аккумулятор объемом с насадкой из гальки. Один кубометр гальки аккумулирует в среднем за день 5 МДж тепла. Солнечная водонагревательная установка СВУ состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией Солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бакаккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический или какой-либо другой автоматический нагреватель-дублер. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.  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 рисунке 3. 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. 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.  Вопрос №15 Солнечные системы отопления могут быть пассивными и активными. 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 (зданиеколлектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п.  В пассивных системах солнечного теплоснабжения роль КСЭ и аккумулятора теплоты выполняют ограждающие конструкции здания, а движение нагретого солнечной энергией воздуха осуществляется, как правило, путем естественной конвекции. В пассивных системах солнечного теплоснабжения осуществляются: - прямое улавливание стенами и полом здания солнечной энергии, поступающей через окна большой площади, расположенные в южной стене; - накопление тепловой энергии аккумулирующей массой (стены, пол, емкости с водой); - улавливание солнечной энергии в пристроенной к южной стене здания теплице и передача теплоты внутрь помещений. Для снижения теплопотерь здания в ночное время на светопрозрачных поверхностях предусматривают тепловую изоляцию (щиты, ставни и т. п.). Для отопления зданий используются следующие типы пассивных гелиосистем: 1) с прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего через остеклённые поверхности большой площади на южном фасаде здания или через примыкающую к южной стене здания солнечную теплицу (зимний сад, оранжерею); 2) с непрямым улавливанием солнечного излучения, то есть, тепло-аккумулирующей стеной, расположенной за остеклением южного фасада; 3) с контуром конвективной циркуляции воздуха и галечным аккумулятором теплоты. Пассивные системы составляют интегральную часть самого здания [2, 6], которое должно проектироваться таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное использование солнечной энергии для отопления. Наряду с окнами и остеклёнными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного излучения также используются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфорта человека, так как исключают прямое попадание солнечных лучей в лицо. Одно из важнейших условий эффективной работы пассивной гелиосистемы заключается в правильном выборе местоположения и ориентации здания на основе критерия максимального поступления и улавливания солнечного излучения в зимние месяцы. Вопрос №16. Солнечные пруды (СП) представляют собой класс солнечных установок, привлекающих возможностью обеспечить экономически эффективное преобразование солнечной энергии в тепло в различных природно-климатических условиях с последующим его использованием для теплоснабжения, опреснения воды, получения соли, а в некоторых случаях и для производства электроэнергии. Благоприятные технико-экономические показатели солнечных прудов обусловливаются относительной простотой их конструкции, малой материалоемкостью, совмещением в единой конструкции функций преобразователя энергии солнечного излучения и аккумулятора тепла длительного хранения. Последнее особенно важно в условиях непостоянства поступления солнечного излучения на поверхность Земли, обусловленного сезонной и суточной периодичностью и изменяющимися погодными условиями. Вода обладает уникальными теплофизическими свойствами, в том числе высокой теплоемкостью, умеренной теплопроводностью, достаточно прозрачна для коротковолнового солнечного излучения и непрозрачна для инфракрасного (теплового) излучения. Как правило, она повсеместно доступна и дешева. Все эти свойства воды явились основой для предложений по ее использованию в гелиотехнике не только как «пассивного» теплоносителя, переносящего тепло из солнечных коллекторов к тепловым аккумуляторам и потребителям тепловой энергии, но и как «активной» субстанции, непосредственно участвующей в процессах поглощения, преобразования и аккумулирования солнечного тепла. Такое комбинированное использование воды реализуется в гак называемых солнечных прудах, имеющих несколько разновидностей. Классификация солнечных прудов приведена на рис. 1.73. Известны два основных класса солнечных прудов: дестабилизированные и стабилизированные. Нестабилизированные солнечные пруды — это класс устройств, охватывающий мелкие и глубокие солнечные пруды, в которых не применяются какие-либо специальные меры по подавлению конвекции заполняющей их воды. Они представляют собой плоскую конструкцию, выполненную из бетона, пластика   или другого материала, с тепло- и гидроизолированным зачерненным дном и боковыми стенками и, как правило, покрытую сверху светопрозрачным ограждением. Толщина слоя воды в мелком солнечном пруде составляет 5—10 см, в глубоком — до нескольких метров. В случае хорошей наружной теплоизоляции конструкции вода в мелком солнечном пруде, как и в солнечном коллекторе, может прогреться до 40—60 °С. Мелкие солнечные пруды в связи с небольшой массовой теплоемкостью не способны обеспечить длительное аккумулирование тепла, поэтому они обычно снабжаются дополнительными теплоизолированными емкостями, куда закачивается нагретая днем в пруде вода. Глубокие несгабилизированные солнечные пруды совмещают в себе и функции аккумулятора тепла. Нагрев воды в них, как правило, невелик, и они могут использоваться там, где нет потребности в повышенных температурах, например совместно с тепловыми насосами в качестве источника низкопотенциального тепла. Подробному описанию результатов исследований и практического применения нестабилизированных солнечных прудов посвящены, в частности, работы [1—6]. Основными недостатками рассмотренного класса солнечных прудов, ограничивающими их широкое применение, являются нестабильность и низкий уровень получаемых температур воды. Тем не менее в связи с недавними успехами в технологиях изготовления легких ячеистых материалов с высоким коэффициентом пропускания солнечного излучения (при толщине блока 5 см коэффициент пропускания достигает 0,87) и высокими теплоизолирующими свойствами [коэффициент тепловых потерь через покрытие равен 1—2 Вт/(м2 • °С)] нестабилизированные солнечные пруды могут получить новый импульс в своем развитии [7]. В стабилизированных солнечных прудах наблюдается ярко выраженный градиент температуры по их глубине, что достигается за счет подавления тем или иным способом конвекции в объеме пруда. Наиболее широко известны солнечные пруды с градиентом солевой концентрации (СПГСК), в которых концентрация и соответственно плотность раствора возрастают с глубиной. Среди СПГСК выделяют пруды с искусственным поддержанием градиента и насыщенные пруды, в которых применяются соли со значительной зависимостью растворимости от температуры. Известны также идеи создания вязкостно-стабилизированных солнечных прудов, гидродинамическая стабилизация которых осуществляется путем добавления в воду связующих добавок с образованием прозрачных гелей, и механически стабилизированных солнечных прудов, конвекция в которых предотвращается за счет перегородок или сотовых структур. Вопрос №17. Совпадение графиков поступления солнечной радиации и потребНости в охлаждении в течение суток и года благоприятствует применеНию солнечных холодильных установок. Солнечные холодильные установки можно условно разделить на две группы: с замкнутым и разомкнутым термодинамическим циклами. Первая группа представляет собой абсорбционные и пароэжекторные холодильные установки, использующие в качестве источников тепла солнечные коллекторы. Основным ограничением использования абсорбционных водоаммиачных и фреоновых пароэжекторных холодильных установок является сложность конструкции солнечных коллекторов, способных выдержать высокие давления хладоагента, а также необходимость создания относительно высоких температур (95 ... 120 °С) для разделения абсорбента и хладоагента в абсорбционных установках. Ведутся разработки абсорбционных солнечных холодильных установок с твердым абсорбентом (например, аммиачно - хлористый кальций) для хранения продуктов [12]. Недостатком этих установок является снижение со временем холодопроизводительности из-за деградации абсорбента. Ведется также поиск новых хладоагентов для пароэжекторных солнечных холодильных установок, где обычно 622—4 до
Принципиальная схема АХСУ открытого типа 1 — регенератор; 2 — теплоизоляция; 3- сливная емкость; 4— Поплавковый регулятор; 5 — вентиль; Б — теплообменник; 7 - испаритель; 8 - абсорбер; Э — теплообменник абсорбера; Ю - вакуум-насос; 11 - насос перекачки раствора Используют фреоны, в связи с ограничением выпуска фторуглеродов необходим поиск новых хладоагентов для этих установок. В практике хладоснабжения чаще всего используют абсорбционные солнечные холодильные установки (АХСУ) с открытым термодинамическим циклом. Основными элементами АХСУ являются испаритель - абсорбер и регенератор. Простейший регенератор (десорбер) представляет собой открытую наклонную плоскость, принимающую солнечное излучение {рис. 2.19). Установка работает следующим образом. Водный раствор бромистого лития подается в регенератор, в котором нагревается до 45 °С. За счет испарения воды повышается его концентрация. Крепкий раствор подается в абсорбер, где он поглощает водяные пары, выделяющиеся в испарителе. При этом вода в испарителе охлаждается до 5 ... 15 °С и подается потребителю холода. Теплота абсорбции отводится охлаждающей водой, протекающей по трубам абсорбера, а воздух, выделившийся в абсорбере из солевого раствора, удаляется вакуум-насосом. В испарителе-абсорбере поддерживается остаточное давление 800 ... 1000 Па. Установка АХСУ-300, разработанная Институтом технической теплофизики АН СССР, смонтирована в Ашхабаде для охлаждения воздуха в жилых домах. В качестве регенератора была использована плоская кровля зданий. Недостатком открытого регенератора является засорение раствора бромистого лития, а также возможность смыва его дождями. Для устранения этого в настоящее время применяют регенераторы, закрытые стеклом. Однако в таких регенераторах падает интенсивность  F— теплообменник; Z — регенератор; J — камера адиабатического охлаждения; ■f— камера осушения; 5 — бак с раствором абсорбета; в насос; 7 — вентилятор Испарения и поэтому дальнейшим совершенствованием АХСУ явилось применение воздушных десорберов-регенераторов типа вентиляторной градирни, и использование для нагрева слабого раствора солнечных коллекторов. К недостаткам АХСУ можно отнести наличие аппаратов с вакуумом, что значительно усложняет их эксплуатацию. Наиболее простыми из установок солнечного хладоснабжения являются солнечно-испарительные (рис. 2.20). Работает установка следующим образом. Разбавленный раствор абсорбента подается в Регенератор открытого или застекленного типа, где нагревается. При этом за счет испарения воды повышается его концентрация. Нагретый концентрированный раствор после регенератора охлаждается в теплообменнике водой из градирни. Наружный воздух, поступающий с помощью насоса в контактную камеру, обрабатывается концентрированным раствором абсорбента (хлористого лития) и осушается. Затем осушенный воздух поступает во вторую контактную камеру, где адиабатически увлажняется и охлаждается. Для снижения стоимости солнечно-испарительного охлаждения и повышения эффективности ее работы в условиях влажного климата можно применить двухступенчатую схему осушки [23]. В этом случае добавляется еще одна камера осушения, в которой используют дешевый абсорбент - хлористый кальций, стоимостью на два порядка меньше, чем хлористый литий. При этом также уменьшается площадь регенератора, так как для раствора хлористого кальция температура регенерации существенно ниже. Для повышения тепловой эффективности установок солнечного охлаждения теплота, отводимая от концентрированного раствора, используется для нужд горячего водоснабжения. Вопрос №18-19. Самый простой способ преобразования солнечной энергии в тепловую, состоит в использовании линзы, подобной той, которой каждый из нас пользовался в детстве. Если кусок газетной бумаги помещался в фокусе линзы, то через некоторое время он обязательно загорался. Принцип действия коллекторов с концентраторами солнечной энергии примерно такой же: тепловоспринимающая панель монтируется в фокусе линзы большого размера или зеркального отражателя, а вся установка регулируется так, что на тепловоспринимающую поверхность постоянно поступает солнечное излучение. Чтобы точно сконцентрировать прямой поток параллельных лучей, отражающая поверхность в сечении должна иметь форму правильной параболы. В качестве концентраторов, следящих за перемещением Солнца по небосводу, в основном используются параболоцилиндрические, имеющие форму водосточной трубы, разрезанной пополам, или параболоидные, похожие на круглую чашу. В фокусе параболоида достигается значительная степень концентрации излучения; в солнечных печах получают температуру свыше 2000°С, а на тепловых электростанциях - более 300°С. В случае параболоцилиндра степень концентрации солнечных лучей относительно небольшая, поэтому получаемая температура составляет 100 - 200°С.  Если использовать в качестве концентраторов солнечного излучения большие линзы, выполненные из толстого слоя стекла, то они будут тяжелыми и очень дорогими, поэтому обычно для этой цели применяют линзы Френеля, у которых профиль канавок, как у пластинок, получают теснением.  а - общий вид; б - линза Френеля в увеличении; 1 - линза Френеля; 2 – солнечное излучение (прямой поток); 3 - собственно линза Френеля (акриловая смола); 4 - фокус (тепловоспринимающая панель). Возникает вопрос - почему же такие высокоэффективные фокусирующие коллекторы не применяют в солнечных домах. Дело в том, что существенным недостатком таких коллектора является необходимость использования следящего устройства, которое следовало бы за движением Солнца и ориентировало коллектор таким образом, чтобы сконцентрированное солнечное излучение постоянно поступало на солнечную панель. К тому же фокусирующие коллекторы гораздо дороже плоских. Кроме того, для систем теплохладоснабжения, а также горячего водоснабжения жилых домов не нужна такая высокая температура, следовательно, эти преимущества в данном случае не реализуются. Далее, коллекторы с концентраторами собирают только прямое солнечное излучение, поскольку концентрировать таким образом удается только параллельные лучи; рассеянное излучение эти коллекторы не фокусируют. В такой стране, как Япония, климат которой отличается влажностью, рассеянное излучение составляет 30-50%, поэтому в установках с концентраторами эта доля излучения не используется. Однако у фокусирующих коллекторов есть и положительные стороны, поэтому некоторые ученые думают о способах их использования без систем слежения за Солнцем. Первый способ состоит в установке оси параболо-цилиндрического зеркала по оси "восток-запад". Если зафиксировать угол наклона в соответствии с движением Солнца по сезонам, то отпадет необходимость почасового слежения за Солнцем и нужно будет ручным способом менять лишь угол наклона в соответствии с временем года. Как может выглядеть концентрический параболический солнечный водонагреватель.  Вода в коллектор – нагреватель поступает под небольшим давлением из напорного бака. А на выходе коллектора установлен клапан – термостат. Аналогичный по действию тому, что устанавливается в контурах охлаждения автомобилей. Т.е. он открывается тогда, когда вода нагревается до определенной температуры. Когда порция воды, находящаяся в коллекторе нагреется, термостат открывается и вода сливается в баки термосы. Как только вся горячая вода сольется и начнет идти прохладная вода, то термостат тут же закроется и коллектор начнет греть следующую порцию. Что бы зря не пропадало место позади параболического зеркала, баки – термосы установлены в свободных нишах и тщательно теплоизолированы. Хотя, как понимаете, это всего лишь вариант их расположения. Их можно установить в любом удобном месте, но важно тщательно утеплить трубу, ведущую к ним от коллектора. Вообще говоря, параболическое зеркало имеет не просто фокус, куда направляются все отраженные лучи, а так называемую фокальную плоскость. Потому что если лучи падают на параболическое зеркало не перпендикулярно, то и отражаться они будут не по центру параболы. Поэтому в устройствах с параболическими зеркалами делают гелиотрекеры, которые всегда поворачивают параболическое зеркало строго на солнце либо перемещают коллектор по фокальной плоскости (что на мой взгляд, проще). Второй способ предполагает сделать внутреннюю часть зеркального отражения более глубокой, чем у параболоида, и. Увеличить площадь тепловоспринимающей поверхности для того, чтобы солнечные лучи, отклонившиеся от главной оси, все Равно попадали на эту поверхность. Такой способ обычно применяют в коллекторах с составными параболическими концентраторами (СРС)1. В США он уже частично используется даже в системах теплохладоснабжения. Чтобы снизить стоимость вакуумированных трубчатых коллекторов, в них нередко применяют зеркальные отражатели. Вопрос №20 Эффективная работа коллектора солнечной энергии и всей системы в целом зависит от параметров самого коллектора, поступающего солнечного излучения и разности температур теплоносителя на входе в коллектор и наружного воздуха. Параметры коллектора определяются его конструктивными особенностями [1]. Теплопроизводительность солнечного коллектора, если определять количество полезного тепла на единицу площади коллектора в зависимости от двух переменных – плотности потока радиации (суммарной) в плоскости коллектора Iт и разности средней температуры теплоносителя в коллекторе Тср и температуры окружающей среды Токр, определяется уравнением, известным как уравнение Хоттеля-Уиллера-Блиса:  Вопрос №21. Принципиальная тепловая схема по концепции компании Honeywell представлена н  Рис.1. Принципиальная тепловая схема СЭС по концепции компании Honeywell 1 - башня; 2 - солнечный парогенератор; 3 - гелиостаты; 4 - паровая турбина; 5 - система управления; 6 - генератор; 7 - поверхностный конденсатор; 8 - градирня; 9 - группа подогревателей низкого давления; 10 - деаэратор; 11 - группа подогревателей высокого давления; 12 - маслогалечный аккумулятор; 13 - бак с холодным ТАМ; 14 - бак с горячим ТАМ; 15 - переохладитель; 16 - конденсатор греющего пара; 17 - подогреватель ТАМ; 18 - подогреватель воды; 19 - парогенератор; 20 - пароперегреватель (П-пар; В - вода; Т-ТАМ и масло). Работа станции может осуществляться следующим образом. При уровне инсоляции, достаточном для генерирования пара требуемых параметров, часть пара, вырабатываемого в солнечном парогенераторе, направляется на вход паровой турбины, где, проходя по ступеням, пар совершает работу расширения, приводя во вращение электрический генератор. Отработавший пар конденсируется и через систему регенеративных подогревателей подается на вход солнечного парогенератора. Другая часть пара, проходя через двухступенчатую систему теплового аккумулирования, отдает тепло вначале расплаву солей типа Hitec, а затем - маслу и конденсируется. Расплавленная соль собирается в горячем баке, а разогретое масло нагревает гравий в масляно-гравийном аккумуляторе, работающем с использованием эффекта Thermocline (скачок температуры). Конденсат пара сливается в деаэратор. При недостаточном уровне инсоляции турбина работает на паре пониженных параметров, генерируемом низко- и высоко- температурной системами аккумулирования, причем большая часть тепла накапливается в низкотемпературной ступени. Питательная вода в этом случае подается через систему теплообменников, где вначале получает тепло от разогретого масла, а затем - от расплавленной соли. Масло и соль, отдавшие свое тепло на подогрев воды, парообразование и перегрев пара, спиваются, соответственно, в нижнюю часть масляно-галечного аккумулятора и холодный бак. В отличие от концепции компании Honeywell для СЭС электрической мощностью 100 МВт, включающей в себя 4 модуля, компания Martin Marietta для СЭС электрической мощностью 150 МВт предложила 15 модулей, считая, что такая концепция обеспечит максимальный КПД оптической системы, термическую эффективность, надежность и гибкость эксплуатации СЭС. В соответствии с этой концепцией сконцентрированные солнечные лучи направляются на вход полостного солнечного парогенератора каждого из 15 модулей, где питательная вода преобразуется в пар, который через коллекторную систему поступает на вход паровой турбины и в тепловой аккумулятор. Недостатком этой концепции является наличие длинной и разветвленной системы трубопроводов, вызывающих значительные перепады давления ( 138 МПа) между солнечными приемниками и паровой турбиной. С другой стороны, такая многомодульная конструкция позволяет осуществлять необходимые ремонтные и профилактические работы на одном или на нескольких модулях, сохраняя при этом жизнеспособность станции в целом, хотя и при меньшем уровне располагаемой мощности. Система аккумулирования тепла в концепции компании Martin Marietta также двухступенчатая: низкотемпературная ступень на основе органического масла и высокотемпературная - на основе расплава солей. Такая система аккумулирования включает в себя достаточно большое число различных емкостей для горячих и холодных теплоаккумулирующих сред, а также распределительные клапаны и запорно-регулирующую арматуру. В отличие от двух вышеуказанных концепция компании McDonnel Douglas (США) для солнечных электростанций (СЭС) электрической мощностью 100 МВт включает в себя одномодульную конструкцию, но с большей высотой башни (268 вместо 90 м) в концепции компании Martin Marietta (США). Применяемый при этом солнечный приемник открытого типа, хотя и имеет более низкую, чем полостной, эффективность, требует меньше капиталовложений, что в какой-то степени компенсирует большее количество гелиостатов, необходимых для получения одной и той же выходной мощности. В концепции компании McDonnell Douglas (США) отраженное с гелиостатного поля солнечное излучение направляется на круговой 24-панельный приемник, шесть панелей которого обращенных к югу, служат для нагрева питательной воды. Перегретый пар от приемника затем направляется к тепловому аккумулятору и паровой турбине, в которой предусмотрена возможность подачи пара высоких и пониженных параметров. Система аккумулирования основана на эффекте Thermocline, когда горячая и холодная среда содержатся в одной емкости и имеют большой температурный градиент. Поскольку аккумулирующая среда - масло - является относительно дорогим продуктом, наряду с ним используется гравийная засыпка. Из-за температурных ограничений для масла параметры пара, получаемого на выходе аккумулятора, ниже параметров острого пара, в связи с чем термодинамическая эффективность цикла преобразования снижается. Вопрос №22 СЭС-5 — разобранная солнечная тепловая электростанция башенного типа, располагавшаяся в пяти км юго-восточнее Щелкино, в Крыму Установленная мощность 5 МВт. Состав сооружений станции башня-концентратор, высотой 89 м; площадь участка гелиостатов 20 га; количество гелиостатов: 1600 шт. (каждый состоял из 45 зеркальных фацет, размерами 550×1030 мм, суммарной площадью 25,5 м²), расположение в соседних рядах — шахматное; коэффициент отражения: 0,71; площадь приёмника: 154 м² номинальная температура теплоносителя в приёмнике: +250 °C; объём теплового аккумулятора: 70 м³; ёмкость теплового аккумулятора: 3—4 часа или около 10 часов в режиме пониженной мощности (примерно 50 %); давление: 4 МПа; управляющие ЭВМ: пожарная ёмкость, объёмом 5000 м³. Поскольку СЭС-5 была экспериментальной, то на ней отрабатывались разные способы управления и разное оборудование. Поле гелиостатов было круглое (по аналогии с американской Солар делилось на две половины. Первая половина (восточная часть) (ППУ С1-1 — С1-6; ППУ С2-1 — С2-4) управлялась центральной ЭВМ СМ-2М. Одной из важнейших частей станции являлись оптические датчики (ОД). Они размещались перед каждым гелиостатом на специальных сваях. Сверху сваи устанавливался металлический гусак с выдвижной трубой, к которой и крепился ОД. Высота расположения оптических датчиков была разной и зависела от удалённости от башни. Схема оптического датчика В отличие от полноповоротных гелиостатов, оптические датчики были неподвижны. Поэтому от их правильной установки зависела точность попадания отражённых лучей на солнечный парогенератор (СПГ). Первые модели оптических датчиков представляли собой цилиндр в котором были размещены две электронные платы и пять фотодиодов. В нижней части, направленной в сторону гелиостата, было круглое отверстие для отражённых от зеркала лучей. В верхней части, направленной в сторону башни, был штепсельный разъём (ШР). Вероятно из-за не герметичности последнего в ОД часто просачивалась вода во время осадков. Оптический датчик выдавал пять сигналов: вниз, вверх, влево, вправо и ПОС (потеря объекта слежения). Напряжение питания 15В. Вопрос №23 Из наиболее подготовленных промышленных технологий можно выделить такие как: - Промышленные котельные, в которых подогрев воды на вход в котёл осуществляется за счет солнечной энергии; - Солнечные плантации для обеспечения электроэнергии больших населенных пунктов, как например солнечные электростанции в странах Европы; - Применение солнечной энергии в целях промышенного охлаждения; - В качестве промежуточных систем подогрева теплоносителя. |
