Результаты расчета значения r для зоны Южного Урала приведены в табл 4

• Название: Результаты расчета значения r для зоны Южного Урала приведены в табл 4
• Дата: 19.04.2023
• Размер: 1.72 Mb.
• Имя файла: 53-71.docx
• Тип: Документы; #1074485

Результаты расчета значения R для зоны Южного Урала приведены в табл.2.4.

Значения величины R для зоны Южного Урала P(S)


Таким образом, среднемесячные значения солнечной суммарной энергии могут служить исходными данными при расчете солнечных установок. Учет же вариации солнечной энергии по времени необходим при объективной оценке возможности использования солнечных установок, то есть для определения вырабатываемой энергии за известный промежуток времени.

Изучение внутри месяца структуры солнечной энергии и, прежде всего, режима повторяемости ее суточных сумм позволит получить вероятностную оценку не только для суммарной энергии, но и для продолжительности солнечного сияния. В нашей стране для некоторых регионов вероятностные характеристики солнечной энергии и продолжительности солнечного сияния известны. Графики обеспеченности продолжительности солнечного сияния для зоны Южного Урала приведены на рис. 2.3.

По среднемесячным значениям продолжительности солнечного сияния можно определить ее обеспеченность течение месяца. Так, в июне не менее чем 8-часовая продолжительность солнечного сияния ожидается с вероятностью (обеспеченностью) (рис. 2.3 г). Это значит, в 20 дней из 30 ожидается ч.

Солнечная радиация в течение дня поступает симметрично относительно полудня, то есть в 12 ч по солнечному времени наблюдается максимальное значение уровня солнечной радиации, а по мере приближения к полудню или удаления от него изменяется соответственно. Например, уровень радиации одинаков в 11 и 13 ч. в 10 и 14 ч. и т.д. На практике, как правило, нужно знать количество суммарной солнечной радиации, поступившей за день, а не за каждый час. Поэтому достаточно иметь данные о среднемесячной суммарной радиации с вероятностной оценкой в течение месяца [13].



Рис. 2.3. Графики суточной продолжительности солнечного сияния для зоны Южного Урала: 1, 2, 3 и т.д., обозначение месяцев январь февраль март и т.д. соответственно, а, б, в объединение близки по характеру зависимостей
2.5. Преобразование солнечной энергии в электричество

Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссионного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей.

Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуется аккумулятор теплоты и система автоматического управления.

Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны.

На поверхность самых больших пустынь мира общей площадью 20 млн км² (площадь Сахары 7 млн км²) за год поступает около 5*10¹⁶ кВтч солнечной энергии. При эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, равной 10%, достаточно использовать всего 1% территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой уровень энергопотребления [68].

2.5.1. Башенные и модульные электростанции

В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: солнечные энергетические станции (СЭС) башенного тина и СЭС распределенного (модульного) типа.

Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар температурой до 550 °С, воздух и другие газы - до 1000°С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) до 100°С, жидкометаллические теплоносители до 800 °С.

Главными недостатками башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется 200 га, а для АЭС мощностью 1000 MBт - всего 50 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны их оптимальная мощность равна 100 МВт, а высота башни 250 м.

В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболоцилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.

При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны, чем башенные. В СЭС модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии максимальной степенью концентрации около 100.

В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн км² на суше и 18 млн км² в океане [11].

2.5.2. Солнечные батареи

Энергия солнечной радиации может быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. Как стационарные источники электричества, фотоэлектрические станции привлекательны для районов, не обеспеченных электричеством от центральной энергосистемы. Установка солнечных модулей выгодна там, где расход энергии незначителен, а проводка электросетей требует немалых затрат.

Фотоэлектрические станции (ФЭС) идеальны для путешествий, в вариантах мобильного использования. Имея ФЭС, вы можете стать энергетически не зависимым и наслаждаться комфортом всюду, где есть солнечный свет. При этом абсолютно бесшумно и безвредно для окружающей среды, без вредных отходов или выбросов.

При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10-12%).

Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения.

Переход на гетеросоединения типа арсенида галаня и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяет повысить КПД с 20 до 35%. В 1989 г. фирмой «Боинг» создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников Арсенида и антимонида галлия с коэффициентом преобразования солнечной энергии электрическую, равным 37%. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается преобразуется электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется электричество во втором слое (антимониде галлия), в итоге КПД составляет 28%+9%-37%, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций [12].

Солнечные батареи пока используются основном космосе, а на Земле только для энергоснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов. В 1988 г. в Австралии состоялись первые всемирные ралли солнечных автомобилей. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов,

2.5.3. Пример расчёта фотоэлектрической системы

Все фотоэлектрические системы (ФЭС) можно разделить на два типа: автономные и соединенные с электрической сетью. Станции второго типа отдают излишки энергии в сеть, которая служит резервом в случае возникновения внутреннего дефицита энергии.

Автономная система в общем случае состоит из набора солнечных модулей, размещенных на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор преобразователь постоянного напряжения переменное.

Под расчетом ФЭС понимается определение номинальной мощности модулей, их количества, схемы соединения: выбор типа, условий эксплуатации и емкости АКБ: мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда; определение параметров соединительных кабелей.

Прежде всего, надо определить суммарную мощность всех потребителей, подключаемых одновременно. Мощность каждого из них измеряется в ваттах и указана в паспортах изделий. На этом этапе уже можно выбрать мощность инвертора, которая должна быть не менее чем в 1,25 раза больше расчетной. Следует иметь в виду, что такой хитрый прибор, как компрессорный холодильник, в момент запуска потребляет мощность в 7 раз больше паспортной. Номинальный ряд инверторов 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт. Для мощных станций (более 1 кВт) напряжение станции выбирается не менее 48 В, т.к. на больших мощностях инверторы лучше работают более высоких исходных напряжений.

Следующий этап — это определение емкости АКБ. Емкость АКБ выбирается из стандартного ряда емкостей с округлением в сторону. большую расчетной. А расчетная емкость получается простым делением суммарной мощности потребителей на произведение напряжения АКБ на значение глубина разряда аккумулятора в долях.

Например, если суммарная мощность потребителей 1000 Вт-ч в сутки, а допустимая глубина разряда АКБ 12 В 50%, то расчетная емкость составит:



При расчете емкости АКБ в полностью автономном режиме необходимо принимать во внимание и наличие в природе пасмурных дней, в течение которых аккумулятор должен обеспечивать работу потребителей.

Последний этап - это определение суммарной мощности и количества солнечных модулей. Для расчета потребуется значение солнечной радиации, которое берется период работы станции, когда солнечная радиация минимальна. В случае круглогодичного использования это декабрь.

В разделе «Метеорология» [99-101] даны месячные и суммарные годовые значения солнечной радиации для основных регионов России, а также с градацией по различным ориентациям световоспринимающей плоскости.

Взяв оттуда значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикочасов, т.е, условное время, в течение которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м².

Например, для широты Москвы и месяца июля значение солнечной радиации составляет 167 кВтч/м² при ориентации площадки на юг под углом 40° к горизонту. Это значит, что среднестатистически солнце светит в июле 167 ч (5,5 ч в день) с интенсивностью 1000 Вт/м², хотя максимальная освещенность в полдень на площадке, ориентированной перпендикулярно световому потоку, не превышает 700-750 Вт/м² [16]/

Модуль мощностью в течение выбранного периода выработает следующее количество энергии:



где - значение инсоляции за выбранный период, к коэффициент, равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период.

Коэффициент к делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течение дня.

Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период.

Исходя из суммарной мощности потребляемой энергии и приведенной выше формулы, легко рассчитать суммарную мощность модулей. Зная ее, простым делением се на мощность одного модуля получим количество модулей.

При создании ФЭС настоятельно рекомендуется максимально снизить мощность потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только люминесцентные лампы. Такие светильники, при потреблении в 5 раз меньшем, обеспечивают световой поток, эквивалентный световому потоку лампы накаливания.

Для небольших ФЭС целесообразно устанавливать ее модули на поворотном кронштейне для оптимального разворота относительно падающих лучей. Это позволит увеличить мощность станции на 20-30% [17].

2.6. Преобразование солнечной энергии в тепловую

При поглощении телом солнечной энергии его температура повышается. На этом явлении основано использование солнечной энергии для отопления, горячего водоснабжения и т.д. Устройства, предназначенные для получения тепла, применяют более широко, чем преобразователи солнечной энергии в другие виды энергии, в частности, в электрическую. Наиболее известным и освоенным способом преобразования солнечной энергии в тепловую является применение плоского коллектора. Термин «плоский» несколько условен с одной стороны, он относится к различным коллекторам, у которых поглощающая поверхность может быть в виде плоских, желобообразных и гофрированных элементов, с другой к различным способам переноса поглощенного солнечного излучения от поверхности коллектора к нагреваемому телу. Большинство плоских коллекторов состоит из следующих основных элементов (рис. 2.4):

- корпуса, как правило, виде ящика;

- прозрачного покрытия из одного или более слоев стекла или пластмассовой пленки;

- труб или каналов, изготовленных как одно целое вместе с поглощающей пластиной и служащих для содержания различных теплоносителей (воды, воздуха);

изоляции, выполняемой на теневой и боковых сторонах для предотвращения потерь тепла.


Рис. 2.4. Поперечный разрез солнечного коллектора
Такие элементы, как корпус и поглощающая пластина, можно исключить из устройств, предназначенных для незначительного повышения температуры, например, при нагреве воды в плавательных бассейнах [42].

Поглощающая пластина (приемник солнечной энергии) собирает как прямо, так и диффузное излучение, значит, действует и в облачную погоду. Приемники солнечной энергии могут содержать весь объем жидкости, которую необходимо нагреть, или только часть ее, которая затем накапливается в отдельной емкости. Это позволяет повысить эффективность коллектора.

Прозрачное покрытие, совмещенное с корпусом, служит для создания парникового эффекта и снижает тепловые потери. Принцип действия солнечного коллектора основан на следующем. Солнечные лучи проходят через прозрачное покрытие, падают на зачерненную поверхность поглощающего элемента и нагревают находящийся в нем теплоноситель, которым может быть воздух, вода или другая жидкость с низкой температурой замерзания [8].

Воздушный коллектор удобен тем, что при его использовании не возникают проблемы, связанные с замерзанием коррозией. Подогретый воздух можно сразу направлять потребителю. Однако в этом случае происходят значительные потери тепла, требуются относительно большое сечение каналов и механические побуждения для передачи воздуха от коллектора к потребителю и аккумулятору.

Водяной коллектор традиционный тип солицеприемника, широко применяемый в системе отопления и горячего водоснабжения. При использовании солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха в них необходимо использовать антифриз [13].

2.6.1. Новые конструкции солнечных коллекторов

В МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с Центральным аэрогидродинамическим институтом (ЦАГИ, г. Жуковский, Московская область) с 1993 г. проводятся работы по созданию установок для использования солнечной энергии. В 1995г. была создана новая конструкция плоского солнечного коллектора с применением современных авиакосмических технологий и оборудования, что сделало его конкурентоспособным в ряду лучших немецких, американских и японских коллекторов этого типа (позволило снизить себестоимость в 1,5-2 раза по сравнению с их себестоимостью за счет существенного уменьшения затрат на производство).

Главная отличительная особенность коллектора - изготовление штампосварной теплоприемной панели из тонколистовой нержавеющей стали толщиной 0,3-0,5 мм, что дает возможность снизить массу панели на 30-45% по сравнению с аналогичными японскими. Новая высокоэффективная технология ее исполнения (защищена патентами РФ) методом локального деформирования на специальном оборудовании позволяет сделать каналы практически любой формы, глубиной от 3 до 20 мм (в зависимости от толщины исходного металла и ширины канала) с высокой производительностью до 2 м/мин. На рис. 2.5 представлен один из вариантов солнечного коллектора с панелью новой конструкции.



Рис. 2.5. Конструкция солнечного коллектора плоского типа

Другой отличительной особенностью нового коллектора является использование специального разработанного НПО «Машиностроение» (г. Реутов, Московская обл.) селективного покрытия для космических станций «Алмаз». Это покрытие наносится методом вакуумного магнетронного распыления. В качестве несущего слоя служит алюминий, на который во второй вакуумной камере после процесса ионно-плазменной очистки панели из газовой среды методом плазменного осаждения наносится слойное селективное покрытие: первый слой кремний, осажденный из кремнийсодержащих сред (создает хорошую адгезию после- дующих слоев); второй слой углерод, осажденный из углеродсодержащей среды (обеспечивает высокую способность поглощения светового потока); третий слой просветляющий, уменьшает коэффициент отражения от поверхности. Такое покрытие обеспечивает высокий коэффициент поглощения при малом коэффициенте собственного излучения.

Испытания данного покрытия по специальной программе на воз действие эксплуатационных факторов (влажности, тепла, холода, циклического изменения и ударного воздействия температуры), проведенные в специальной лаборатории Летно-исследовательского института им. Громова (Москва), показали его высокие эксплуатационные характеристики с гарантированным сроком эксплуатации более 10 лет.

Разные модификации солнечных коллекторов испытывали в натурных условиях (в течение 10 лет на полигоне в Московской области), в различных независимых специализированных лабораториях Института высоких температур (Махачкала), Высшей школы г. Ульма (Германия), ЦАГИ.

В процессе испытаний замеряли расход теплоносителя, его температуру на входе и выходе из коллектора, температуру воды в баке на трех уровнях, температуру окружающей среды, скорость ветра.

В Институте высоких температур и ЦАГИ на стендах с искусственным солнцем по методике, разработанной Институтом высоких температур, проведены испытания на герметичность, влагонепроницаемость, предельный нагрев, внутренний и внешний тепловой удар, внутреннее давление, а также тепловые (постоянная времени и кривая КПД) и гидравлические (определение гидравлического сопротивления) испытания. Коллекторы всех модификаций успешно прошли проверку. Последние отработанные модели имеют хорошие показатели по всем параметрам и не уступают лучшим японским коллекторам такого класса.

Широкое применение таких установок позволит существенно улучшить экологическую обстановку за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферу [70].

2.6.2. Эксплуатационная надежность солнечных коллекторов

В России эксплуатируются сотни гелиоустановок горячего водоснабжения, на которых установлено около 20 тыс. м солнечных коллекторов (СК) различных производителей.

Перспективы дальнейшего внедрения гелиоустановок определяются в основном экономическими факторами [72]. При этом все их стоимостные и технические параметры зависят от конструкции применяемых СК. Одной из основных характеристик СК является их надеж- свойство сохранять свои эксплуатационные показатели в течение установленного заводом срока. Согласно российскому стандарту, минимальный срок службы СК-10 лет (за исключением прозрачного покрытия). Рассмотрим вопросы эксплуатационной надежности СК, производившихся заводами СССР и выпускаемых российскими предприятиями на примере гелиоустановок Краснодарского края.

Наиболее полно вопросы эксплуатация гелиоустановок и СК различных конструкций исследованы немецкими специалистами. Ими выполнен анализ 20-летнего опыта эксплуатации 113 гелиоустановок за период с 1980 по 1999 г., к концу которого в работе осталось 57 установок. Анализ дефектов СК показал, что наибольшее количество повреждений имели теплопоглощающие панели: раздутие штампосварных панелей 25%, коррозия 20%, протечки 16%, обесцвечивание покрытия 8%. Наименее надежными оказались стальные штампосварные и трубчатые алюминиевые теплопоглощающие панели. Их повреждения объясняют ошибками конструирования, парообразованием, коррозионным воздействием антифризов. Дефекты прозрачной изоляции составили 20%, при этом акриловое покрытие и синтетические пленки имели многочисленные трещины. Для корпусов СК характерным было растрескивание покрытия 30%. Отмечены массовые повреждения шланговых соединений коллекторов. Обнаруженные дефекты CK классифицированы по причинам возникновения: конструирование коллекторов, проектирование гелиоустановок, эксплуатация.

В.А. Бутузов (кандидат технических наук, Краснодар) [14] с 1987 г. изучал эксплуатационную надежность СК отечественных производителей. В CCCР около 80% общего количества СК производилось на заводах «Сибтепломаш» (Братск) и «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси). Их характеристики приведены в табл. 2.4. Стоимость СК, выпускавшихся заводами CCCP и производимых в России, указана в сопоставимых ценах на 1 января 2004 г. по материалам их комплектующих при курсе 30 руб. за 1 долл.

Причины высокой повреждаемости: неудачная конструкция прозрачной изоляции и неустойчивость лакокрасочного покрытия корпуса в условиях морского климата. В данных СК применено стекло толщиной 5 мм, не выдержаны его зазоры в корпусе, герметизация выполнена полимеризующейся мастикой (герленом). Повреждения теплопоглощающих панелей были обусловлены проникновением атмосферной влаги через трещины стекла, намоканием теплоизоляции (минеральной ваты) и последующей наружной коррозией металла панелей. В Краснодарском крае из 900 СК этого завода с лакокрасочным покрытием теплопоглощающей панели, установленных в 1987-1990 гг., в настоящее время в эксплуатации не осталось ни одного. Их фактический срок службы составил в среднем 5 лет.



Дефекты СК завода «Сибтепломаш» с селективным гальваническим покрытием черный хром и усовершенствованной прозрачной теплоизоляцией (толщина стекла 4 мм, уменьшены зазоры между стеклом и корпусом) проанализированы на примере солнечно-топливной котельной в Тимашевске. Они имеют другой характер. Повреждения лакокрасочного покрытия корпуса при отсутствии воздействия морского климата свидетельствуют о его низком качестве. Теплоизоляция смещена в нижнюю часть корпуса и намокает из-за не плотности крепления стекол (полимеризация и растрескивание уплотнительной мастики). Очевидно, что данный коллектор по фактическому сроку службы не соответствует стандартам СССР и РФ. В настоящее время в Краснодарском крае эксплуатируется только одна гелиоустановка (в Тимашевске на ул. Чапаева), в которой используются 342 СК этого завода с селективным покрытием.

CK «Спецгелиотепломонтаж» с неселективным лакокрасочным покрытием рассмотрим на примере гелиоустановки издательства «Советская Кубань» в Краснодаре. Данные коллекторы имели корпус из алюминиевого профиля, при этом тыльная сторона теплоизоляции бы ла выполнена из фанеры толщиной 4 мм, что и определило их массовые повреждения уже через 3 года. Соответственно повреждалась и теплоизоляция пенопласт, который в местах контакта с корпусом дополнительно деформировался от нагрева с уменьшением толщины на 20%. Коррозионные повреждения теплопоглощающих панелей стали следствием проникновения влаги через трещины стекла. С учетом наложенного по фактическому сроку службы данная конструкция также не соответствует стандартам. В 1988-1992 г. в Краснодарском крае было установлено 7700 (4620 м2) коллекторов тбилисского завода, из которых в 2002 г. работали 2640 (1584 м2), т.е. 34,3%.

Из российских производителей СК в Краснодарском крае наиболее массово с 1994 г. представлен Ковровский механический завод (КМЗ), коллекторы которого разработаны ведущим конструктором А.А. Лычагиным и испытаны на стенде Энергетического института им. Кржижановского под руководством доктора технических наук Б.В. Тарнижевского. Выпускаются коллекторы следующих модификаций:

№1 теплопоглощающей панелью из латунных трубок с литы ми алюминиевыми ребрами, корпусом из стали, теплоизоляцией листовым пенополиуретаном полиэтиленовой оболочке, стеклом с креплением угловым алюминиевым профилем (до 1997 г.);

№2 с теплопоглощающей панелью из лагунных трубок со стальными ребрами, остальные конструктивные решения аналогичны модификации No1 (до 1998 г.);

№3 теплопоглощающей панелью из латунных трубок со стальными ребрами и корпусом, теплоизоляцией из полостей пергамина, покрытием тыльной стороны окрашенными древесно-волокнистыми плитами, стеклом креплением плоскими планками (в настоящее время).

В соответствии с договором сотрудничестве с КМЗ Краснодарская лаборатория энергосбережения и нетрадиционных источников энергии Академии коммунального хозяйства с 1995 г. проводила эксплуатационные испытания всех моделей коллекторов завода в натурных условиях.

При обследовании 1230 CK №1, работающих с 1995 г., установлено: незначительный (менее 1%) выход из строя теплопоглощающих панелей: срок службы лакокрасочного покрытия не превышает 5 лет (выгорание, отслаивание от алюминиевых ребер); количество повреждений стекол до 10% (не выдержаны размеры зазоров, некачественное стекло, наличие 28 болтовых соединений крепления стекла на од- ном коллекторе затрудняет его замену); некачественное лакокрасочное покрытие корпуса CK, особенно тыльной стороны теплоизоляции (50- 60% повреждений после 5 лет эксплуатации); отсутствие элементов крепления CK к опорным металлоконструкциям; низкое качество резинотканевых патрубков и хомутов (до 30% повреждений).

С учетом этого Ковровским заводом были разработаны новые конструкции СК №2 и 3. При обследовании с 1999 г. 650 CK модели № установлено: эксплуатационные испытания не выявили существенного снижения КПД (более 5%); теплопоглощающие панели со стальными ребрами не имеют повреждений лакокрасочного покрытия; количество повреждений стекла незначительно (до 1%); отсутствуют повреждения лакокрасочного покрытия стальных элементов корпуса на отдельных коллекторах отмечено отвисание пергамина на тыльной стороне теплоизоляции.

Данные обследований СК Ковровского завода собраны при малом сроке наблюдений (до 7 лет) и не позволяют дать обоснованное заключение об их соответствии российскому стандарту. Полученные данные

выводы Б.В. о повреждениях солнечных коллекторов подтверждают Тарнижевского о рекомендуемых материалах для производства СК: те из сплавов на основе меди или коррозионно-стойких материалов, прозрачная изоляция – упрочненное стекло или поликарбонат, теплоизоляция-пенополиуретан.

Стоимости солнечных коллекторов одного типа (плоские неселективные или плоские селективные), но разных производителей, существенно различаются. При близких энергетических характеристиках стоимости коллекторов изменяются от 100 до 530 долл/м. Более объективным является приведение стоимости каждого коллектора к удельному показателю стоимости единицы вырабатываемой ими тепловой энергий при площади 1 м² с учетом интенсивности суммарной солнечной радиации и разницы температур теплоносителя и окружающего воздуха.

Данные показатели рассчитываются на основе энергетической характеристики СК, подтвержденной сертифицированной испытательной организацией. Сопоставление стоимостей плоских солнечных коллекторов 28 изготовителей в сравнимых ценах и вырабатываемой ими тепловой энергии приведены по материалам словацкой фирмы «ТERMO SOLAR». Энергетические характеристики СК приняты по испытательным протоколам таких организаций, как «Solarenergie Pruf und Forschungstelle Rap- perswil» (Германия). Стоимость производимой СК тепловой Энергии определена при суммарной солнечной радиации 800 Bт/м² и разнице температур теплоносителя и окружающего воздуха 40 К. При увеличении стоимости анализируемой группы СК в 5,32 раза стоимость вырабатываемой ими тепловой энергии возрастает с 0,22 до 1,16 долл/(Втм²), т.е. в 5,27 раза.

Таким образом, повышение производителями стоимости всегда свидетельствует об увеличении его тепловой эффективности. Сопоставление данных показывает, что ряд фирм необоснованно стоимость СК по сравнению со стоимостью, вырабатываемой ими тепловой энергии. Расхождение ранжирования на 4-5 пунктов выявлено для CK фирм «Chromagen-Lordan» (Израиль), «Ruesch Solartechnik AGTAMCOR Ltd.», «AGENA SA», «Schuppiser Sonnerenergie» (Швейцария), «VRB/EES - International PCS 130-24/9.2» (Голландия).

Был проработан вопрос расчета оптимальных стоимостей гелноустановки и СК. В общем случае удельная стоимость СК количеством выработанной им за расчетный срок службы тепловой энергии при ее стоимости :

При проектировании гелиоустановок следует рассчитывать диапазон стоимости CK (удельные капитальные вложения) по формуле:



Где - диапазон изменения КПД гелиоустановки; и - интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность в течение усредненных суток расчетного месяца, Вт/м² ; - коэффициент положения СК для прямой солнечной радиации, в угол наклона СК к горизонту; - срок экономической окупаемости гелиоустановки, лет; - стоимость замещаемой тепловой энергии, руб/квт ч; - капитальные вложения в замещаемый традиционный энергоисточник, руб.; - количество суток эксплуатации: - расчетный суточный расход горячей воды потребителя для месяца с минимальным уровнем солнечной радиации; - теплоемкость воды, (кВт/кг °C); и расчетные температуры горячей и холодной воды, ; - удельные капитальные вложения соответственно в бак-аккумулятор, металлоконструкции и прочее.
Из всего вышесказанного следуют выводы:

1. Для выполнения одного из основных требований государственного стандарта гарантированного обеспечения минимального срока службы солнечных коллекторов необходимы систематические наблюдения за их эксплуатацией и обработка показателей по определенной методике.

2. Эксплуатационные испытания продолжительностью не менее 10 лет СК, выпущенных основными производителями СССР, показали, что фактический срок их службы ниже требуемого по стандарту СССР и заводского паспортного.

3. Обработка данных многолетних испытаний СК разных производителей позволила установить следующие требования к их основным конструктивным элементам:

теплопоглощающая панель и корпус должны быть выполнены из коррозионностойких материалов:

- при площади коллектора до 1 м оправдано применение оконного стекла толщиной 3 мм; при его креплении должны быть выдержаны размеры зазоров для теплового расширения;

- материал теплоизоляции коллектора при намокании не должен проявлять коррозионные свойства по отношению к материалам теплопоглощающей панели и корпуса;

- резинотканевые и резьбовые (стальные) соединения СК между собой не должны использоваться, так как не обеспечивают их герметичности.

4. Среди СК российских производителей наиболее высокими эксплуатационными показателями обладают коллекторы Ковровского механического завода (модель N3). Стандартный срок службы этих коллекторов может быть обеспечен при выполнении корпуса из коррозионностойких материалов и усовершенствовании узлов соединения патрубков.

5. При сравнении стоимостей CK одного типа разных производителей целесообразно проводить анализ с учетом стоимости получаемой тепловой энергии одинаковых условиях (интенсивность суммарной солнечной радиации, перепад температур теплоносителя и окружающего воздуха) на основе энергетической характеристики испытаний сертификационных организаций.

6. Оптимальная стоимость СК зависит от количества тепловой энергии, выработанной им за расчетный срок службы. Диапазон стоимостей СК применяемых конструкций определяется интенсивностью суммарной солнечной радиации, режимными факторами и проектными решениями гелиоустановок [72].

2.7. Основные элементы и принципиальные схемы систем гелиотеплоснабжения

От выбора схемы потребления энергии, вырабатываемой солнечным коллектором, зависит экономическая целесообразность использования солнечной энергии. Известно значительное количество принципиальных схем использования солнечной энергии для теплоснабжения с применением различного рода теплоносителей. Схемы систем солнечного теплоснабжения приведены на рис. 2.6.

Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы, которые не требуют дополнительного оборудования для сбора и распределения солнечной энергии. Принцип действия пассивных систем заключается в непосредственном обогреве помещения через светопрозрачные южные стены, а также в солнечном нагреве наружной поверхности ограждающих элементов зданий, защищенных слоем прозрачной изоляции.

Несмотря на некоторое преимущество пассивных систем, использование солнечной энергии для теплоснабжения идет по пути применения: активных, то есть систем со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распределения преобразованной солнечной энергии. Основными элементами активной системы являются солнечный коллектор, аккумулятор, теплообменники, дополнительный источник теплоты.

Аккумулятор важный компонент системы солнечного теплоснабжения, т.к. главной особенностью солнечной радиации является периодичность ее поступления и несовпадение максимумов нагрузки теплопотребления. Аккумуляторы, как правило, работают за счет теплоемкости рабочего вещества (воды или воздуха). Они просты, надежи и относительно дешевы. Водяной аккумулятор представляет собой стальной цилиндрический резервуар со слоем теплоизоляции. В воздушных аккумуляторах применяют для засыпки резервуара гальку или другой наполнитель [13].



Рис. 2.6. Классификация систем гелиотеплоснабжени

Назначение дублирующего источника теплоты. полное обеспечение объекта теплотой в случае недостатка или отсутствия солнечной радиации. Выбор источника зависит от местных условий: им может быть ТЭН или водогрейный котел на органическом топливе.

Активные системы солнечного теплоснабжения классифицируют:

- по назначению- горячего водоснабжения, отопления и комбинированные;

- по времени работы - сезонные и круглогодичные;

- по числу контуров - одно-, двух- и многоконтурные;

- по наличию и типу дублирующего контура.

Наиболее просты по устройству одноконтурные системы с естественной циркуляцией (рис. 2.7). Основные элементы здесь солнечный коллектор и бак-аккумулятор, расположенный над коллектором. Вода циркулирует в результате естественной конвекции.

Другим примером одноконтурных систем могут служить протонные системы (рис. 2.8). Серьезный недостаток этих систем подверженность коррозии. Для повышения коррозионной устойчивости и обеспечения работы с антифризом в качестве теплоносителя в холодное время года системы выполняют двух- или многоконтурными.
Принципиальная схема простейшей двухконтурной гелносистемы с естественной циркуляцией приведена на рис. 2.9


Рис. 2.7. Одноконтурная система гелио- теплоснабжения с естественной циркуляцией, солнечный коллектор, бак-аккумулятор, забор горячей воды, подача холодной воды, подача холодной воды



Рис. 2.8. Одноконтурная проточная система гелиотеплоснабжения



Рис. 2.9. Простейшая двухконтурная система гелиотеплоснабжения с естественной циркуляцией, солнечный коллектор, теплообменник бак-аккумулятор, забор горячей воды, подача холодной воды

Недостаток двухконтурных термосифонных систем низкая тепловая эффективность, вызванная малой скоростью движения теплоносителя. Для ее повышения используют принудительную циркуляцию [71].

Рассмотренные схемы применяются в системе горячего водоснабження.

В активных системах солнечного отопления тепло передается от коллектора к аккумулятору и затем в помещение.

Стремление решать вопросы отопления и горячего водоснабжения комплексно приводит к комбинированному исполнению их систем централизованные системы, использующие сезонные аккумуляторы тепла и, как правило, тепловые насосы в качестве дублирующего источника [16].

2.8. Теплопроизводительность солнечной установки

и коэффициент полезного действия

В процессе поглощения солнечной энергии повышается температура приемной поверхности коллектора. Если теплоноситель находится в контакте с поглотителем, то он получает эту энергию. Полезная энергия на выходе солнечного коллектора зависит от двух параметров - плотности поступающей суммарной солнечной радиации плоскости коллектора. Ни разности средней температуры теплоносителя в коллекторе Те, и температуры окружающей среды То

Вырабатываемая энергия с единицы площади коллектора

Дж/м²

где - коэффициент, связанный с эффективностью переноса тепла от пластины коллектора к жидкости, отводящей тепло; - приведен

поглощательная способность, учитывающая результирующее влияние оптических свойств материалов коллектора; - коэффициент тепловых потерь, учитывающий возможные суммарные потери с единицы площади коллектора; - действительная продолжительность солнечного сияния. Коэффициент зависит от конструкции поглощающей пластины и расхода теплоносителя через коллектор. Значения коэффициента теплопереноса составляют 0,88-0,9. Приведенная поглощательная способность примерно на 5% больше произведения пропускательной способности прозрачных покрытий и поглощательной способности пластины коллектора , поскольку некоторое количество излучения, первоначально отраженного от поглощающей пластины, отражается покрытиями обратно к пластине. При .

Коэффициент тепловых потерь ; зависит от скорости ветра, числа прозрачных покрытий и свойств изоляционных материалов. Опытные данные показывают, что 6 Вт/(м² K).

Рассмотренные три параметра, зависящие от конструкции коллектора, определяют тепловой режим работы. Полная эффективность (КПД) коллектора:



2.9. Опыт использования солнечной установки

Использование солнечной энергии, как было отмечено, сводится в основном к производству низкопотенциального тепла с помощью простейших плоских солнечных коллекторов и получило в мировой практике наибольшее распространение по сравнению с другими направлениями применения этого источника.
В США в 1990 г. из 3,6 млн ГДж энергии, произведенной за счет солнечной радиации, 3,5 млн ГДж представляет собой низкопотенциальное тепло. В Израиле в соответствии с законом, требующим, чтобы каждый дом был снабжен солнечной водонагревательной установкой установлено около 800 тыс. солнечных коллекторов, которые производят 15 млн ГДж энергии и обеспечивают горячей водой 70% населения.

В г. Борос (Швеция) создана установка СОЛАРЕК, работающая на шесть домов. Данная система энергоснабжения имеет солнечные коллекторы, тепловой насос с воздушным и водяным охладителем, тепловой аккумулятор и резервный паровой котел. Солнечные коллекторы расположены на гелионагревательном центре и установлены под углом 70 градусов к горизонту с ориентацией строго на юг. Солнечное тепло первоначально используется для нагрева воды в доме, а избыточная энергия передается в аккумулятор. Объем аккумулятора 25 м³, общая площадь коллекторов 150 м².

В Австралии используются 250 тыс. бытовых солнечных коллекторов, в Индии 400 тыс, солнечных коллекторов и 430 тыс. солнечных печей. В Китае около 400 предприятий выпускают солнечные коллекторы общей площадью 2 млн м² в год.

В России и странах СНГ накоплен определенный опыт по использованию солнечной энергии, в первую очередь для получения низкопотенциального тепла.

На Украине реализовано более 50 экспериментальных проектов в разных областях народного хозяйства. Среди них системы горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, солнечные приставки к топливным и электрическим котельным, малые автономные установки для индивидуальных жилых домов и сельскохозяйственных предприятий.

Опыт эксплуатации солнечной установки для горячего водоснабжения и отопления производственного корпуса в районе г.Алушта показал ее эффективность, полученная тепловая энергия достигала 500- 600 кВтч/м² в год, обеспечивая в год экономию до 150 кг у т./м² при сроке окупаемости от 5 до 10 лет. В Киевской области на молочной ферме на 100 коров установлена гелиоустановка площадью 8 м² с баком-аккумулятором объемом 2м²; экономия электроэнергии достигает 112 кВтч в сутки. Технические характеристики солнечных установок, выпускаемых на Украине, приведены в табл. 2.5.

В Белоруссии успешно прошли испытания и были рекомендованы для выпуска гелиоводоподогреватели ГВП-20М и Гелекс-150М, технические характеристики которых приведены в табл. 2.6. При активной площади ГВП-20М 19,1м² установлено, что при интенсивности солнечной радиации от 340 до 740 Вт/м² и температуре наружного воздуха 15... 20°C происходит нагрев 1300 л воды до 450°С, а при солнечной радиации до 850 Вт/м² вода нагревается до 550°С. Для подогрева воды до нужной температуры в пасмурные дни установлен проточный