Niezawodne ogrzewanie energią słoneczną dla prywatnego domu. Ogrzewanie słoneczne prywatnego domu: opcje i schematy projektowe Energia słoneczna w systemach zaopatrzenia w ciepło

1. Kolektory słoneczne.

Kolektor słoneczny jest głównym elementem instalacji, w którym energia promieniowania słonecznego zostaje zamieniona na inną formę energii użytecznej. W przeciwieństwie do konwencjonalnych wymienników ciepła, w których następuje intensywne przekazywanie ciepła z jednego płynu do drugiego, a promieniowanie jest nieznaczne, w kolektorze słonecznym przekazywanie energii do płynu odbywa się z odległego źródła energii promienistej. Bez koncentracji promieni słonecznych gęstość strumienia padającego promieniowania wynosi w najlepszym przypadku -1100 W/m 2 i jest zmienna. Długości fal mieszczą się w zakresie 0,3 - 3,0 mikronów. Są znacznie mniejsze niż długości fal promieniowania wewnętrznego większości powierzchni pochłaniających promieniowanie. Zatem badania nad kolektorami słonecznymi przedstawiają wyjątkowe wyzwania w zakresie wymiany ciepła przy niskich i zmiennych gęstościach strumienia energii oraz stosunkowo dużej roli promieniowania.

Kolektory słoneczne można stosować zarówno z koncentracją, jak i bez niej Promieniowanie słoneczne. W kolektorach płaskich powierzchnia odbierająca promieniowanie słoneczne jest jednocześnie powierzchnią pochłaniającą promieniowanie. Kolektory skupiające, zwykle posiadające wklęsłe reflektory, skupiają padające promieniowanie całą swoją powierzchnią na wymienniku ciepła o mniejszej powierzchni, zwiększając w ten sposób gęstość strumienia energii.

1.1. Płaskie kolektory słoneczne. Płaski kolektor słoneczny to wymiennik ciepła przeznaczony do podgrzewania cieczy lub gazu za pomocą energii promieniowania słonecznego.

Kolektorami płaskimi można podgrzewać chłodziwo do umiarkowanych temperatur t ≈ 100 o C. Do ich zalet należy możliwość wykorzystania zarówno bezpośredniego, jak i rozproszonego promieniowania słonecznego; nie wymagają śledzenia słońca i nie wymagają rutynowej konserwacji. Konstrukcyjnie są prostsze niż system składający się z reflektorów skupiających, powierzchni pochłaniających i mechanizmów śledzących. Zakres zastosowania kolektorów słonecznych to instalacje grzewcze budynków mieszkalnych i przemysłowych, instalacje klimatyzacyjne, zaopatrzenia w ciepłą wodę, a także elektrownie wykorzystujące niskowrzący czynnik roboczy, pracujące najczęściej w cyklu Rankine’a.

Głównymi elementami typowego płaskiego kolektora słonecznego (rys. 1) są: „czarna” powierzchnia pochłaniająca promieniowanie słoneczne i przekazująca swoją energię czynnikowi chłodniczemu (najczęściej cieczy); powłoki przezroczyste dla promieniowania słonecznego umieszczone nad powierzchnią pochłaniającą, które ograniczają straty konwekcyjne i radiacyjne do atmosfery; izolacja termiczna powierzchni powrotnej i końcowej kolektora w celu zmniejszenia strat spowodowanych przewodnością cieplną.

Ryc.1. Schemat płaski kolektor słoneczny.

A) 1 - przezroczyste powłoki; 2 - izolacja; 3 - rura z płynem chłodzącym; 4 - powierzchnia pochłaniająca;

B) 1.powierzchnia pochłaniająca promieniowanie słoneczne, 2-kanały chłodzące, 3-szkło(??), 4-korpus,

5- izolacja termiczna.

Rys.2 Kolektor słoneczny typu arkuszowego.

1 - kolektor hydrauliczny górny; 2 - dolny kolektor hydrauliczny; 3 - n rur znajdujących się w odległości W od siebie; 4 - arkusz (płyta pochłaniająca); 5- połączenie; 6 - rura (bez skali);

7 - izolacja.

1.2. Wydajność kolektora. O sprawności kolektora decyduje jego sprawność optyczna i cieplna. Sprawność optyczna η o pokazuje, jaka część promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni oszklenia kolektora jest pochłaniana przez czarną powierzchnię absorpcyjną i uwzględnia straty energii związane z różnicą między przepuszczalnością szkła a współczynnikiem absorpcji powierzchni absorpcyjnej od jedności . Do rozdzielacza z przeszkleniem jednowarstwowym

gdzie (τα) n jest iloczynem przepuszczalności szkła τ i współczynnika absorpcji α, który pochłania promieniowanie z powierzchni w normalny upadek promienie słoneczne.

Jeżeli kąt padania promieni różni się od bezpośredniego, wprowadza się współczynnik korygujący k, uwzględniający wzrost strat odbicia od szkła i powierzchni pochłaniających promieniowanie słoneczne. Na ryc. Na rysunku 3 przedstawiono wykresy k = f(1/ cos 0 - 1) dla kolektorów z oszkleniem jednowarstwowym i dwuwarstwowym. Sprawność optyczna uwzględniająca kąt padania promieni innych niż bezpośrednie,

Ryż. 3. Współczynnik korygujący, biorąc pod uwagę odbicie światła słonecznego od powierzchni szkła i czarnej powierzchni pochłaniającej.

Oprócz tych strat w kolektorze dowolnej konstrukcji występują straty ciepła do otoczenia Q pot, które są uwzględniane przez sprawność cieplną, która równy stosunkowi ilość ciepła użytecznego odebranego z kolektora w określonym czasie do ilości energii promieniowania docierającej do niego w tym samym czasie od Słońca:

gdzie Ω jest powierzchnią apertury kolektora; I jest gęstością strumienia promieniowania słonecznego.

Optyczny i wydajność termiczna kolekcjonerzy są powiązani pokrewieństwem

Straty ciepła charakteryzują się współczynnikiem strat całkowitych U

gdzie T a jest temperaturą czarnej powierzchni pochłaniającej promieniowanie słoneczne; Do -temperatura środowisko.

Wartość U można uznać za stałą z wystarczającą dokładnością do obliczeń. W tym przypadku podstawienie Qpot do wzoru na wydajność termiczna prowadzi do równania

Sprawność cieplną kolektora można również zapisać w kategoriach średniej temperatury przepływającego przez niego czynnika chłodniczego:

gdzie T t = (T wejście + T wyjście) /2 - Średnia temperatura płyn chłodzący; F” to parametr nazywany potocznie „sprawnością kolektora” i charakteryzujący sprawność przekazywania ciepła z powierzchni pochłaniającej promieniowanie słoneczne do czynnika chłodzącego; zależy od konstrukcji kolektora i jest prawie niezależny od innych czynników; typowe wartości współczynnika parametr F"≈: 0,8- 0,9 - dla kolektorów płaskich; 0,9-0,95 - dla płaskich kolektorów cieczy; 0,95-1,0 - dla kolektorów podciśnieniowych.

1.3. Kolektory próżniowe. W przypadku nagrzania do temperatury większej niż wysokie temperatury, użyj kolektorów podciśnieniowych. W kolektorze próżniowym objętość zawierająca czarną powierzchnię pochłaniającą promieniowanie słoneczne jest oddzielona od otoczenia próżniową przestrzenią, co może znacznie zmniejszyć straty ciepła do otoczenia na skutek przewodnictwa cieplnego i konwekcji. Straty radiacyjne są w dużym stopniu tłumione poprzez zastosowanie powłok selektywnych. Ponieważ pełny współczynnik straty w kolektorze próżniowym są niewielkie, czynnik chłodzący w nim można nagrzać do wyższych temperatur (120-150°C) niż w kolektorze płaskim. Na ryc. Rysunek 9.10 pokazuje przykłady konstrukcji kolektorów próżniowych.

Ryż. 4. Rodzaje kolektorów podciśnieniowych.

1 - rurka z płynem chłodzącym; 2 - płyta z selektywną powłoką pochłaniającą promieniowanie słoneczne; 3 rurka cieplna; 4 element odprowadzający ciepło; 5 szklanych rurek z powłoką selektywną; b - rura wewnętrzna do doprowadzania chłodziwa; 7 zewnętrzny pojemnik szklany; 8 próżnia

W oparciu o wykorzystanie elektrowni słonecznych można rozwiązać problemy ogrzewania, chłodzenia i zaopatrzenia w ciepłą wodę budynków mieszkalnych, administracyjnych, obiektów przemysłowych i rolniczych. Instalacje fotowoltaiczne dzieli się na następującą klasyfikację:

• według przeznaczenia: systemy zaopatrzenia w ciepłą wodę; systemy grzewcze; instalacje kombinowane do celów zaopatrzenia w ciepło i chłód;
• według rodzaju użytego chłodziwa: ciecz; powietrze;
• według czasu pracy: przez cały rok; sezonowy;
• zgodnie z rozwiązaniem technicznym obwodu: jednoprzewodowy; podwójny obwód; wieloobwodowy.

W instalacjach solarnych najczęściej stosowanymi czynnikami chłodzącymi są ciecze (woda, roztwór glikolu etylenowego, substancje organiczne) oraz powietrze. Każdy z nich ma pewne zalety i wady. Powietrze nie zamarza i nie stwarza większych problemów związanych z nieszczelnościami i korozją urządzeń. Jednak ze względu na małą gęstość i pojemność cieplną powietrza, rozmiary instalacji powietrznych i pobór mocy do pompowania chłodziwa są większe niż w przypadku systemów cieczowych. Dlatego w większości działających systemów solarnych preferowane są ciecze. W przypadku potrzeb mieszkaniowych i komunalnych głównym czynnikiem chłodzącym jest woda.

Podczas eksploatacji kolektorów słonecznych w okresach ujemnych temperatur zewnętrznych konieczne jest albo zastosowanie środka przeciw zamarzaniu jako chłodziwa, albo w jakiś sposób uniknięcie zamarznięcia chłodziwa (na przykład poprzez terminowe spuszczenie wody, podgrzanie jej, zaizolowanie kolektora słonecznego).

Domy wiejskie, wielopiętrowe i wielorodzinne, sanatoria, szpitale i inne obiekty można wyposażyć w całoroczne solarne zasobniki ciepłej wody użytkowej z rezerwowym źródłem ciepła. Instalacje sezonowe, takie jak np. instalacje natryskowe dla obozów pionierskich, pensjonatów, instalacje mobilne dla geologów, budowniczych, pasterzy, pracują najczęściej w miesiącach letnich i przejściowych w roku, w okresach z dodatnimi temperaturami zewnętrznymi. Mogą posiadać zapasowe źródło ciepła lub obejść się bez niego, w zależności od rodzaju obiektu i warunków pracy.

Koszt instalacji solarnej do podgrzewania wody może wynosić od 5 do 15% kosztu obiektu i zależy od warunków klimatycznych, kosztu sprzętu i stopnia jego rozwoju.

W instalacjach fotowoltaicznych przeznaczonych do systemów grzewczych jako czynniki chłodzące wykorzystuje się zarówno ciecz, jak i powietrze. W wieloobwodowych układach fotowoltaicznych można stosować różne czynniki chłodzące w różnych obiegach (na przykład woda w obiegu solarnym, powietrze w obwodzie dystrybucyjnym). W naszym kraju powszechne są wodne instalacje solarne służące do zaopatrzenia w ciepło.

Powierzchnia kolektorów słonecznych wymagana do systemów grzewczych jest zwykle 3-5 razy większa od powierzchni kolektorów do systemów ciepłej wody, dlatego stopień wykorzystania tych systemów jest niższy, szczególnie w okres letni roku. Koszt instalacji systemu grzewczego może wynosić 15-35% kosztu nieruchomości.

Systemy kombinowane mogą obejmować instalacje całoroczne służące do ogrzewania i zaopatrzenia w ciepłą wodę, a także instalacje pracujące w Pompa ciepła oraz rurkę cieplną do celów ogrzewania i chłodzenia. Systemy te nie są jeszcze powszechnie stosowane w przemyśle.

Gęstość strumienia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni kolektora w dużej mierze determinuje właściwości cieplne oraz wskaźniki techniczno-ekonomiczne słonecznych systemów grzewczych.

Gęstość strumienia promieniowania słonecznego zmienia się w ciągu dnia i roku. Jest to jedna z charakterystycznych cech systemów wykorzystujących energię słoneczną, a przy przeprowadzaniu konkretnych obliczeń inżynierskich instalacji fotowoltaicznych decydująca jest kwestia wyboru obliczonej wartości E.

Jako schemat projektowy systemu ogrzewania słonecznego rozważ schemat przedstawiony na ryc. 3.3, który umożliwia uwzględnienie cech eksploatacyjnych różnych systemów. Kolektor słoneczny 1 przetwarza energię promieniowania słonecznego na ciepło, które przekazywane jest do zasobnika 2 poprzez wymiennik ciepła 3. Istnieje możliwość umiejscowienia wymiennika ciepła w samym zasobniku. Obieg chłodziwa zapewnia pompa. Ogrzany płyn chłodzący dostaje się do systemów zaopatrzenia w ciepłą wodę i ogrzewania. W przypadku niedostatecznego lub braku promieniowania słonecznego włączane jest rezerwowe źródło ciepła do przygotowania ciepłej wody lub ogrzewania 5.

Ryc.3.3. Schemat instalacji solarnej: 1 - kolektory słoneczne; 2 - zbiornik ciepłej wody; 3 - wymiennik ciepła; 4 - budynek z ogrzewaniem podłogowym; 5 - rezerwa (źródło dodatkowej energii); 6 - pasywny układ słoneczny; 7 - bateria żwirowa; 8 - amortyzatory; 9 - wentylator; 10 - napływ ciepłego powietrza do budynku; 11- dopływ powietrza obiegowego z budynku

W systemie ogrzewania słonecznego zastosowano kolektory słoneczne nowej generacji „Raduga” z EJ „Konkurent” o ulepszonych parametrach cieplnych dzięki zastosowaniu selektywnej powłoki na panelu ciepłochłonnym wykonanym z ze stali nierdzewnej oraz półprzezroczystą powłokę wykonaną ze szczególnie wytrzymałego szkła o wysokich właściwościach optycznych.

W układzie jako czynnik chłodzący wykorzystuje się: wodę o dodatnich temperaturach lub środek zapobiegający zamarzaniu w okresie grzewczym (obieg solarny), wodę (obieg drugi ogrzewanie podłogowe) i powietrze (trzeci obieg solarnego ogrzewania powietrznego).

Jako źródło rezerwowe wykorzystano kocioł elektryczny.

Zwiększenie efektywności systemów zasilania energią słoneczną można osiągnąć poprzez zastosowanie różne metody akumulacja energii cieplnej, racjonalne łączenie systemów fotowoltaicznych z kotłowniami cieplnymi i pompami ciepła, łączenie systemów aktywnych i pasywnych, rozwój efektywnych środków i metod automatycznego sterowania.

Prawie połowa całej wytwarzanej energii wykorzystywana jest do ogrzewania powietrza. Słońce świeci także zimą, jednak jego promieniowanie jest zwykle niedoceniane.

W grudniowy dzień w pobliżu Zurychu fizyk A. Fischer wytwarzał parę; Było to wtedy, gdy słońce znajdowało się w najniższym punkcie, a temperatura powietrza wynosiła 3°C. Dzień później kolektor słoneczny o powierzchni 0,7 m2 podgrzał 30 litrów zimnej wody z wodociągu ogrodowego do +60°C.

Energię słoneczną można z łatwością wykorzystać do ogrzewania powietrza w pomieszczeniach zimą. Wiosną i jesienią, gdy często jest słonecznie, ale zimno, ogrzewanie pomieszczeń panelami słonecznymi pozwoli nie włączać głównego ogrzewania. Dzięki temu można zaoszczędzić część energii, a co za tym idzie i pieniędzy. W przypadku domów rzadko użytkowanych lub budownictwa sezonowego (domki, bungalowy) ogrzewanie energią słoneczną jest szczególnie przydatne zimą, ponieważ... eliminuje nadmierne wychłodzenie ścian, zapobiegając zniszczeniom spowodowanym kondensacją wilgoci i pleśnią. W ten sposób roczne koszty operacyjne są znacznie obniżone.

Przy ogrzewaniu domów energią słoneczną konieczne jest rozwiązanie problemu izolacji termicznej pomieszczeń w oparciu o elementy architektoniczne i konstrukcyjne, tj. podczas tworzenia efektywnego systemu Do ogrzewania energią słoneczną należy budować domy posiadające dobre właściwości termoizolacyjne.

Koszt ciepła
Ogrzewanie pomocnicze

Udział energii słonecznej w ogrzewaniu domu
Niestety okres odbioru ciepła od Słońca nie zawsze pokrywa się w fazie z okresem występowania obciążeń termicznych.

Większość energii, którą mamy do dyspozycji latem, jest tracona z uwagi na brak stałego zapotrzebowania na nią (w rzeczywistości układ kolektorów jest w pewnym stopniu układem samoregulującym: gdy temperatura czynnika osiąga stan równowagi) wartości, absorpcja ciepła ustanie, ponieważ straty ciepła z kolektora słonecznego zrównają się z ciepłem odczuwalnym).

Ilość ciepła użytecznego pobranego przez kolektor słoneczny zależy od 7 parametrów:

1. ilość dopływającej energii słonecznej;
2. straty optyczne w izolacji przezroczystej;
3. właściwości absorpcyjne powierzchni odbierającej ciepło kolektora słonecznego;
4. efektywność przekazywania ciepła z odbiornika ciepła (od powierzchni odbierającej ciepło kolektora słonecznego do cieczy, tj. od wartości sprawności odbiornika ciepła);
5. przepuszczalność przezroczystej izolacji termicznej, która określa poziom strat ciepła;
6. temperatura powierzchni odbierającej ciepło kolektora słonecznego, która z kolei zależy od prędkości przepływu czynnika chłodzącego oraz temperatury czynnika chłodzącego na wejściu do kolektora słonecznego;
7. temperatura powietrza zewnętrznego.

Sprawność kolektora słonecznego tj. stosunek energii zużytej do energii padającej będzie określony przez wszystkie te parametry. Na korzystne warunki może osiągnąć 70%, a w przypadku niesprzyjających warunków może spaść do 30%. Dokładną wartość sprawności można uzyskać we wstępnych obliczeniach jedynie poprzez pełne modelowanie zachowania systemu, biorąc pod uwagę wszystkie wymienione powyżej czynniki. Oczywiście taki problem można rozwiązać tylko za pomocą komputera.

Ponieważ gęstość strumienia promieniowania słonecznego stale się zmienia, do szacunków obliczeniowych można wykorzystać całkowitą ilość promieniowania dziennego lub nawet miesięcznego.

W tabeli 1 pokazuje jako przykład:

średnie miesięczne ilości otrzymanego promieniowania słonecznego, mierzone na powierzchni poziomej;

kwoty obliczone dla ścian pionowych skierowanych na południe;

sumy dla powierzchni o optymalnym kącie nachylenia 34° (dla Kew pod Londynem).

Tabela 1. Miesięczne ilości promieniowania słonecznego docierającego do Kew (k. Londynu)

Tabela pokazuje, że powierzchnia o optymalnym kącie nachylenia otrzymuje (średnio w ciągu 8 Zimowe miesiące) około 1,5 razy więcej energii niż powierzchnia pozioma. Jeżeli znane są ilości promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni poziomej, to przeliczając je na powierzchnię nachyloną, można je pomnożyć przez iloczyn tego współczynnika (1,5) i akceptowana wartość sprawność kolektorów słonecznych równa 40%, tj.

1,5*0,4=0,6

Da to ilość energii użytecznej pochłoniętej przez nachyloną powierzchnię odbierającą ciepło w danym okresie.

Aby określić efektywny udział energii słonecznej w zaopatrzeniu w ciepło budynku, nawet metodą obliczeń ręcznych, należy sporządzać co najmniej miesięczne bilanse zapotrzebowania i ciepła użytkowego otrzymanego od Słońca. Dla jasności spójrzmy na przykład.

Jeśli skorzystamy z powyższych danych i weźmiemy pod uwagę dom, dla którego współczynnik strat ciepła wynosi 250 W/°C, roczna liczba stopniodni w tej lokalizacji wynosi 2800 (67200°C*h). a powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi np. 40 m2, wówczas uzyskuje się następujący rozkład na miesiące (patrz tabela 2).

Tabela 2. Obliczenie efektywnego udziału energii słonecznej

Miesiąc	°C*h/miesiąc	Ilość promieniowania na powierzchni poziomej, kW*h/m2	Ciepło użyteczne na jednostkę powierzchni kolektora (D*0,6), kW*h/m2	Całkowite ciepło użytkowe (E*40 m2), kW*h	Udział energii słonecznej, kW*h/m2
A	B	C	D	mi	F	G
Styczeń	10560	2640	18,3	11	440	440
Luty	9600	2400	30,9	18,5	740	740
Marsz	9120	2280	60,6	36,4	1456	1456
Kwiecień	6840	1710	111	67,2	2688	1710
Móc	4728	1182	123,2	73,9	2956	1182
Czerwiec	-	-	150,4	90,2	3608	-
Lipiec	-	-	140,4	84,2	3368	-
Sierpień	-	-	125,7	75,4	3016	-
Wrzesień	3096	774	85,9	51,6	2064	774
Październik	5352	1388	47,6	28,6	1144	1144
Listopad	8064	2016	23,7	14,2	568	568
Grudzień	9840	2410	14,4	8,6	344	344
Suma	67200	16800	933	559,8	22392	8358

Koszt ciepła
Po obliczeniu ilości ciepła dostarczonego przez Słońce należy przedstawić ją w kategoriach pieniężnych.

Koszt wytworzonego ciepła zależy od:

koszt paliwa;

wartość opałowa paliwa;

ogólną wydajność systemu.

Uzyskane w ten sposób koszty operacyjne można następnie porównać z kosztami inwestycyjnymi słonecznego systemu grzewczego.

W związku z tym, jeżeli założymy, że w omówionym powyżej przykładzie zamiast tradycyjnego systemu grzewczego, który zużywa np. paliwo gazowe i wytwarza ciepło za 1,67 rubla/kWh, zostanie zastosowany system ogrzewania energią słoneczną, to aby do ustalenia uzyskanych rocznych oszczędności należy 8358 kWh dostarczonych przez energię słoneczną (wg obliczeń w tabeli 2 dla powierzchni kolektora 40 m2) pomnożyć przez 1,67 rubla/kWh, co daje

8358*1,67 = 13957,86 rubli.

Ogrzewanie pomocnicze
Jedno z pytań najczęściej zadawanych przez osoby chcące zrozumieć wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania (lub innych celów) brzmi: „Co robisz, gdy słońce nie świeci?” Po zrozumieniu koncepcji magazynowania energii zadają kolejne pytanie: „Co zrobić, gdy w akumulatorze nie ma już energii cieplnej?” Pytanie jest uzasadnione, a potrzeba nadmiarowego, często konwencjonalnego systemu, jest główną przeszkodą w powszechnym przyjęciu energii słonecznej jako alternatywy dla istniejących źródeł energii.

Jeśli wydajność systemu ogrzewania słonecznego nie jest wystarczająca, aby utrzymać budynek w okresie zimnej i pochmurnej pogody, konsekwencje, nawet tylko raz w zimie, mogą być na tyle poważne, że będzie konieczne zastosowanie konwencjonalnego pełnowymiarowego źródła ciepła. system grzewczy jako rezerwowy. Większość budynków ogrzewanych energią słoneczną wymaga pełnego systemu redundantnego. Obecnie w większości obszarów energię słoneczną należy uważać za sposób na zmniejszenie zużycia energii. tradycyjne typy energii, a nie jako jej całkowity substytut.

Konwencjonalne grzejniki są odpowiednim rozwiązaniem zastępczym, ale istnieje wiele innych alternatyw, na przykład:

Kominki;
- piece na drewno;
- grzejniki na drewno.

Załóżmy jednak, że chcielibyśmy wykonać instalację solarną na tyle dużą, aby zapewnić ciepło pomieszczeniu w najbardziej niesprzyjających warunkach. Ponieważ połączenie bardzo zimnych dni i długich okresów pochmurnej pogody jest rzadkie, dodatkowe rozmiary System zasilania energią słoneczną (kolektor i akumulator), który będzie wymagany w tych przypadkach, będzie zbyt kosztowny przy stosunkowo niewielkich oszczędnościach paliwa. Ponadto system będzie przez większość czasu działać przy mocy mniejszej niż znamionowa.

System solarny zaprojektowany w celu zapewnienia 50% obciążenia grzewczego może zapewnić wystarczającą ilość ciepła tylko na 1 dzień bardzo zimnej pogody. Podwajając wielkość układu słonecznego, dom będzie ogrzewany przez 2 zimne, pochmurne dni. W przypadku okresów dłuższych niż 2 dni późniejsze zwiększenie rozmiaru będzie tak samo nieuzasadnione jak poprzednie. Dodatkowo będą okresy łagodnej pogody, kiedy druga podwyżka nie będzie konieczna.

Teraz, jeśli powiększymy powierzchnię kolektorów systemu grzewczego o kolejne 1,5 razy, aby wytrzymać 3 zimne i pochmurne dni, to teoretycznie wystarczy na pokrycie 1/2 całego zapotrzebowania domu w okresie zimowym. Ale oczywiście w praktyce może tak nie być, ponieważ czasami są 4 (lub więcej) dni z rzędu zimnej, pochmurnej pogody. Do rozliczenia tej 4-tej doby będziemy potrzebowali instalacji solarnej, która teoretycznie będzie w stanie zebrać 2 razy więcej ciepła niż potrzebuje budynek w sezonie grzewczym. Oczywiste jest, że okresy zimna i zachmurzenia mogą być dłuższe niż oczekiwano w projekcie systemu solarnego. Im większy kolektor, tym mniej intensywnie wykorzystuje się każdy dodatkowy przyrost jego wielkości, tym mniej energii oszczędza się na jednostkę powierzchni kolektora i tym niższy jest zwrot z inwestycji na dodatkową jednostkę powierzchni.

Podejmowano jednak odważne próby magazynowania wystarczającej ilości energii słonecznej na pokrycie całego zapotrzebowania na ciepło i wyeliminowania dodatkowego systemu grzewczego. Z rzadkim wyjątkiem takich systemów jak dom fotowoltaiczny G. Hay’a, długoterminowe magazynowanie ciepła jest prawdopodobnie jedyną alternatywą dla systemu pomocniczego. G. Thomason w swoim pierwszym domu w Waszyngtonie niemal w pełni korzystał z ogrzewania słonecznego; jedynie 5% obciążenia grzewczego pokrywane było przez standardowy grzejnik na paliwo ciekłe.

Jeżeli układ pomocniczy pokrywa tylko niewielki procent całkowitego obciążenia, wówczas sensowne jest zastosowanie ogrzewania elektrycznego, mimo że wymaga to wytworzenia w elektrowni znacznej ilości energii, która następnie zamieniana jest na ciepło do ogrzewania (elektrownia zużywa 10500...13700 kJ na wytworzenie 1 kWh energii cieplnej w budynku). W większości przypadków grzejnik elektryczny będzie tańszy niż piec olejowy czy gazowy, a stosunkowo niewielka ilość energii elektrycznej potrzebnej do ogrzania budynku może uzasadniać jego zastosowanie. Ponadto grzejnik elektryczny jest urządzeniem mniej materiałochłonnym ze względu na stosunkowo niewielką ilość materiału (w porównaniu do grzejnika) użytego do produkcji cewek elektrycznych.

Ponieważ wydajność kolektora słonecznego znacznie wzrasta, jeśli pracuje on w niskich temperaturach, system grzewczy powinien być zaprojektowany tak, aby wykorzystywał możliwie najniższe temperatury - nawet 24...27°C. Jedną z zalet systemu ciepłego powietrza firmy Thomason jest to, że w dalszym ciągu pobiera on użyteczne ciepło z akumulatora w temperaturach zbliżonych do temperatury pokojowej.

W nowym budownictwie systemy grzewcze można zaprojektować tak, aby wykorzystywały niższe temperatury, na przykład poprzez wydłużenie żebrowanych grzejników ciepłej wody, zwiększenie rozmiaru paneli promiennikowych lub zwiększenie objętości powietrza o niższej temperaturze. Projektanci najczęściej decydują się na ogrzewanie pomieszczenia ciepłym powietrzem lub zastosowanie powiększonych paneli promiennikowych. W systemie ogrzewanie powietrza Najlepiej jest wykorzystywać ciepło magazynowane w niskiej temperaturze. Panele ogrzewania promiennikowego mają długi czas opóźnienia (między włączeniem systemu a ogrzaniem przestrzeni powietrznej) i zwykle wymagają wyższych temperatur roboczych chłodziwa niż systemy gorącego powietrza. Dlatego też ciepło z urządzenia magazynującego nie jest w pełni wykorzystywane w niższych temperaturach, które są akceptowalne dla systemów ciepłego powietrza, a ogólna wydajność takiego systemu jest niższa. Przewymiarowanie systemu paneli promiennikowych w celu uzyskania wyników podobnych do wyników uzyskiwanych w przypadku powietrza może wiązać się ze znacznymi dodatkowymi kosztami.

Zwiększenie ogólnej wydajności systemu (ogrzewanie słoneczne i pomocniczy system redundantny) przy jednoczesnej redukcji ogólnych kosztów poprzez eliminację przestojów składniki wielu projektantów zdecydowało się na integrację kolektora słonecznego i akumulatora z układem pomocniczym. Wspólne komponenty są następujące:

Fani;
- pompy;
- wymienniki ciepła;
- kontrole;
- Rury;
- przewody powietrzne.

Zdjęcia w artykule poświęconym inżynierii systemów pokazują różne schematy takie systemy.

Pułapką projektowania interfejsów między systemami jest zwiększenie liczby elementów sterujących i ruchomych, co zwiększa prawdopodobieństwo awarii mechanicznej. Pokusa zwiększenia wydajności o 1...2% poprzez dodanie kolejnego urządzenia na styku systemów jest niemal nie do odparcia i może być najczęstszą przyczyną awarii instalacji solarnej. Zwykle grzejnik pomocniczy nie powinien ogrzewać zasobnika energii słonecznej. Jeśli tak się stanie, faza pozyskiwania ciepła słonecznego będzie mniej wydajna, ponieważ proces prawie zawsze będzie przebiegał w wyższych temperaturach. W innych systemach obniżenie temperatury akumulatora poprzez wykorzystanie ciepła z budynku zwiększa ogólną wydajność systemu.

Przyczyny innych niedociągnięć tego schematu wyjaśniają duże straty ciepła z akumulatora ze względu na jego stale wysokie temperatury. W układach, w których urządzenia pomocnicze nie nagrzewają akumulatora, ten straci znacznie mniej ciepła, gdy przez kilka dni nie będzie słońca. Nawet w tak zaprojektowanych instalacjach straty ciepła z zasobnika wynoszą 5...20% całkowitego ciepła pobranego przez instalację solarną. W przypadku akumulatora ogrzewanego urządzeniami pomocniczymi straty ciepła będą znacznie większe i można je uzasadnić jedynie w przypadku umiejscowienia pojemnika akumulatora w ogrzewanej strefie budynku

Głównym elementem aktywnych systemów zaopatrzenia w ciepło jest kolektor słoneczny (SC). W nowoczesnych niskotemperaturowych systemach zaopatrzenia w ciepło (do 100°C) stosowany jest do zamiany energii słonecznej na ciepło niskotemperaturowe do celów zaopatrzenia w ciepłą wodę użytkową, ogrzewania i innych. w procesach termicznych stosuje się tzw. kolektor płaski, czyli kolektor słoneczny będący absorberem, przez który przepływa czynnik chłodniczy; Konstrukcja jest izolowana termicznie z tyłu i przeszklona z przodu.

W wysokotemperaturowych układach zaopatrzenia w ciepło (powyżej 100°C) stosuje się wysokotemperaturowe kolektory słoneczne. Obecnie za najbardziej efektywny z nich uważa się koncentrujący kolektor słoneczny Luza, będący rynną paraboliczną z czarną rurką pośrodku, na której skupiane jest promieniowanie słoneczne. Kolektory takie są bardzo skuteczne w przypadkach, gdy konieczne jest stworzenie warunków temperaturowych powyżej 100°C dla przemysłu lub do produkcji pary w elektroenergetyce. Są stosowane w niektórych elektrowniach słonecznych w Kalifornii; w Europie Północnej nie są one wystarczająco wydajne, ponieważ nie mogą wykorzystywać rozproszonego promieniowania słonecznego.

Światowe doświadczenie. W Australii ciecze o temperaturze poniżej 100°C zużywają około 20% całkowitego zużycia energii. Ustalono, że do zaopatrzenia w ciepłą wodę 80% wiejskich budynków mieszkalnych w przeliczeniu na osobę potrzeba 2...3 m2 powierzchni kolektorów słonecznych oraz zbiornik na wodę o pojemności 100...150 litrów. Dużym zainteresowaniem cieszą się instalacje o powierzchni 25 m2 i bojler wodny o pojemności 1000...1500 litrów, zapewniające ciepłą wodę dla 12 osób.

W Wielkiej Brytanii mieszkańcy obszarów wiejskich zaspokajają 40...50% swojego zapotrzebowania na energię cieplną poprzez wykorzystanie promieniowania słonecznego.

W Niemczech na stacji badawczej niedaleko Düsseldorfu przetestowano aktywną instalację solarną do podgrzewania wody (powierzchnia kolektora 65 m2), która pozwoliła uzyskać średnioroczny uzysk na poziomie 60% wymagane ciepło, a latem 80...90%. W warunkach niemieckich 4-osobowa rodzina może w pełni zapewnić sobie ciepło, jeśli posiada dach energetyczny o powierzchni 6...9 m2.

Energia cieplna słońca jest najczęściej wykorzystywana do ogrzewania szklarni i tworzenia w nich sztucznego klimatu; W Szwajcarii przetestowano kilka metod wykorzystania energii słonecznej w tym kierunku.

W Niemczech (Hanower) w Instytucie Technologii Ogrodnictwa i Rolnictwo Badana jest możliwość wykorzystania kolektorów słonecznych umieszczonych obok szklarni lub wbudowanych w jej konstrukcję, a także samych szklarni jako kolektorów słonecznych wykorzystujących barwioną ciecz przepuszczaną przez podwójną osłonę szklarni i ogrzewaną promieniowaniem słonecznym wyniki pokazały, że w warunki klimatyczne W Niemczech ogrzewanie wykorzystujące wyłącznie energię słoneczną przez cały rok nie pokrywa w pełni potrzeb grzewczych. Nowoczesne kolektory słoneczne w Niemczech mogą zaspokoić potrzeby rolnictwa w ciepła woda latem o 90%, zimą o 29...30%, a w okresie przejściowym o 55...60%.

Aktywne systemy ogrzewania słonecznego są najczęściej spotykane w Izraelu, Hiszpanii, Tajwanie, Meksyku i Kanadzie. W samej Australii ponad 400 000 domów jest wyposażonych w słoneczne podgrzewacze wody. W Izraelu ponad 70% wszystkich domów jednorodzinnych (około 900 000) jest wyposażonych słoneczne podgrzewacze wody z kolektorami słonecznymi o łącznej powierzchni 2,5 mln m2, co daje możliwość rocznej oszczędności paliwa na poziomie około 0,5 mln toe.

Konstruktywna poprawa płaskich SC zachodzi w dwóch kierunkach:

• poszukiwanie nowych niemetalowych materiałów konstrukcyjnych;
• poprawa właściwości optyczno-termicznych najważniejszego zespołu absorber-element przezroczysty.

27.09.2019

Klasyfikacja i główne elementy układów słonecznych

Słoneczne systemy grzewcze to systemy wykorzystujące promieniowanie słoneczne jako źródło energii cieplnej. Ich charakterystyczną różnicą w stosunku do innych niskotemperaturowych systemów grzewczych jest zastosowanie specjalnego elementu – odbiornika słonecznego, którego zadaniem jest wychwytywanie promieniowania słonecznego i przekształcanie go w energia cieplna.

Ze względu na sposób wykorzystania promieniowania słonecznego niskotemperaturowe systemy ogrzewania słonecznego dzielimy na pasywne i aktywne.

Bierny systemy ogrzewania słonecznego nazywane są systemami ogrzewania słonecznego, w których sam budynek lub jego poszczególne ogrodzenia (budynek kolektora, ściana kolektora, dach kolektora, rys. 1) pełnią rolę elementu odbierającego promieniowanie słoneczne i zamieniającego je na ciepło.

W pasywnych systemach fotowoltaicznych wykorzystanie energii słonecznej odbywa się wyłącznie poprzez rozwiązania architektoniczne i konstrukcyjne budynków.

W pasywnym, niskotemperaturowym systemie ogrzewania słonecznego promieniowanie słoneczne z kolektora budowlanego, przenikające przez otwory świetlne do pomieszczenia, wpada w pewnym sensie w pułapkę termiczną. Krótkofalowe promieniowanie słoneczne swobodnie przechodzi przez szybę okna i padając na wewnętrzne ogrodzenia pomieszczenia, zamienia się w ciepło. Całe promieniowanie słoneczne wpadające do pomieszczenia zamienia się w ciepło i może częściowo lub całkowicie zrekompensować straty ciepła.

Aby zwiększyć efektywność układu budynkowo-kolektorowego, doświetlają otwory Duża powierzchnia umieszczone na elewacji południowej, wyposażone w żaluzje, które po zamknięciu powinny zapobiegać ciemny czas dni na straty spowodowane przeciwpromieniowaniem, a w okresach upałów w połączeniu z innymi urządzeniami przeciwsłonecznymi - na przegrzanie pomieszczenia. Powierzchnie wewnętrzne pomalowane na ciemne kolory.

Zadaniem obliczeń dla tej metody ogrzewania jest określenie wymaganej powierzchni otworów świetlnych, aby przekazać dopływ promieniowania słonecznego do pomieszczenia, co jest niezbędne, biorąc pod uwagę akumulację w celu kompensacji strat ciepła. Z reguły moc pasywnego układu budynkowo-kolektorowego w okresie zimnym nie jest wystarczająca, a w budynku instaluje się dodatkowe źródło ciepła, zamieniając system w kombinowany. Za pomocą obliczeń określa się ekonomicznie wykonalne obszary otworów świetlnych i moc dodatkowego źródła ciepła.

Pasywny solarny niskotemperaturowy system ogrzewania powietrznego „kolektor ścienny” obejmuje masywną ścianę zewnętrzną, przed którą w niewielkiej odległości zainstalowany jest ekran promiennikowy z żaluzjami. W ścianach przy podłodze i pod stropem montuje się szczelinowe otwory z zaworami. Promienie słoneczne przechodzące przez półprzezroczysty ekran są pochłaniane przez powierzchnię masywnej ściany i zamieniane na ciepło, które na drodze konwekcji przekazywane jest do powietrza znajdującego się w przestrzeni pomiędzy ekranem a ścianą. Powietrze nagrzewa się i unosi, przedostając się przez szczelinę pod stropem do obsługiwanego pomieszczenia, a jego miejsce zajmuje schłodzone powietrze z pomieszczenia, przedostając się w przestrzeń pomiędzy ścianą a ekranem przez szczelinę przy podłodze pokój. Dopływ ogrzanego powietrza do pomieszczenia sterowany jest poprzez otwarcie zaworu. Jeśli zawór jest zamknięty, ciepło gromadzi się w masie ścianki. Ciepło to można usunąć poprzez konwekcyjny przepływ powietrza, otwierając zawór w nocy lub przy pochmurnej pogodzie.

Obliczając taki pasywny niskotemperaturowy słoneczny system ogrzewania powietrza, określ wymagany obszar powierzchnia ściany. System ten jest również powielany z dodatkowym źródłem ciepła.

Aktywny nazywane są niskotemperaturowymi systemami ogrzewania słonecznego, w których odbiornik energii słonecznej jest niezależnym, odrębnym urządzeniem niezwiązanym z budynkiem. Aktywne systemy fotowoltaiczne można podzielić na:

• według przeznaczenia (zaopatrzenie w ciepłą wodę, ogrzewanie, systemy kombinowane do celów zaopatrzenia w ciepło i chłód);
• według rodzaju użytego płynu chłodzącego (ciecz - woda, płyn niezamarzający i powietrze);
• według czasu pracy (całoroczne, sezonowe);
• w sprawie rozwiązań technicznych obwodów (jedno-, dwu-, wielotorowych).

W przypadku aktywnych systemów ogrzewania słonecznego stosuje się dwa rodzaje odbiorników słonecznych: koncentracyjny i płaski.

Powietrze jest powszechnie stosowanym czynnikiem chłodzącym, który nie zamarza w całym zakresie parametrów pracy. Stosując go jako czynnik chłodzący, można połączyć systemy grzewcze z systemem wentylacji. Jednak powietrze jest chłodziwem o niskiej temperaturze, co prowadzi do wzrostu zużycia metalu przy instalacji systemów ogrzewania powietrznego w porównaniu z systemami wodnymi. Woda jest wysokotemperaturowym i powszechnie dostępnym czynnikiem chłodzącym. Jednak przy temperaturach poniżej 0◦C konieczne jest dodanie do niego płynów niezamarzających. Ponadto należy wziąć pod uwagę, że woda nasycona tlenem powoduje korozję rurociągów i urządzeń. Jednak zużycie metalu w słonecznych systemach wodnych jest znacznie niższe, co znacznie przyczynia się do ich szerszego zastosowania.

Sezonowe słoneczne systemy zaopatrzenia w ciepłą wodę są zwykle jednoobwodowe i działają w miesiącach letnich i przejściowych, w okresach z dodatnimi temperaturami zewnętrznymi. Mogą posiadać dodatkowe źródło ciepła lub obejść się bez niego, w zależności od przeznaczenia obsługiwanego obiektu i warunków pracy.

Instalacja solarna do podgrzewania wody VU (rys. 2) składa się z kolektora słonecznego i wymiennika-akumulatora. Płyn chłodzący (przeciw zamarzaniu) przepływa przez kolektor słoneczny. Czynnik chłodzący jest podgrzewany w kolektorze słonecznym energią słoneczną, a następnie oddaje energię cieplną wodzie poprzez wymiennik ciepła zamontowany w akumulatorze. Zbiornik magazynuje gorąca woda do czasu użycia, dlatego musi mieć dobrą izolację termiczną. W obiegu pierwotnym, w którym znajduje się kolektor słoneczny, można zastosować naturalny lub wymuszony obieg chłodziwa. W zbiorniku można zainstalować elektryczną lub inną automatyczną grzałkę BUH. Jeżeli temperatura w zasobniku spadnie poniżej zadanej (długotrwałe zachmurzenie lub kilka godzin nasłonecznienia w zimie), automatycznie włącza się grzałka BUH, która podgrzewa wodę do zadanej temperatury.

Instalacje solarne do ogrzewania budynków są najczęściej dwuobwodowe lub najczęściej wieloobwodowe i mogą być stosowane w różnych obwodach różne chłodziwa(na przykład w obiegu solarnym - wodne roztwory cieczy niezamarzających, w obiegach pośrednich - woda, a w obwodzie odbiorczym - powietrze). Kombinowane całoroczne systemy fotowoltaiczne na potrzeby zaopatrzenia budynków w ciepło i chłód są wieloobwodowe i zawierają dodatkowe źródło ciepła w postaci tradycyjnego generatora ciepła zasilanego paliwami kopalnymi lub transformatora ciepła. Schemat ideowy instalacji solarnej przedstawiono na rysunku 3. Zawiera on trzy obwody cyrkulacyjne:

• obieg pierwszy, składający się z kolektorów słonecznych 1, pompy obiegowej 8 i wymiennika ciepła cieczowego 3;
• drugi obwód, składający się ze zbiornika 2, pompy obiegowej 8 i wymiennika ciepła 3;
• trzeci obwód, składający się ze zbiornika 2, pompy obiegowej 8, wymiennika ciepła woda-powietrze (podgrzewacz) 5.

System ogrzewania słonecznego działa w następujący sposób. Czynnik chłodzący (przeciw zamarzaniu) obiegu odbierającego ciepło, nagrzewający się w kolektorach słonecznych 1, wpływa do wymiennika ciepła 3, gdzie ciepło płynu niezamarzającego przekazywane jest wodzie krążącej w przestrzeni międzyrurowej wymiennika ciepła 3 pod działaniem pompa 8 obwodu wtórnego. Podgrzana woda wpływa do zasobnika 2. Z zasobnika woda pobierana jest przez pompę dostarczającą ciepłą wodę 8, w razie potrzeby doprowadzana do wymaganej temperatury w rezerwie 7 i trafia do systemu zaopatrzenia w ciepłą wodę budynku. Zbiornik akumulatora ładowany jest z sieci wodociągowej. Do ogrzewania woda ze zbiornika 2 jest dostarczana przez pompę 8 trzeciego obwodu do grzejnika 5, przez który powietrze przepuszczane jest za pomocą wentylatora 9 i po podgrzaniu dostaje się do budynku 4. W przypadku braku energii słonecznej promieniowania lub braku energii cieplnej wytwarzanej przez kolektory słoneczne, załączenie rezerwy 6. Dobór i rozmieszczenie elementów instalacji solarnej w każdym konkretny przypadek zależy od czynników klimatycznych, przeznaczenia obiektu, reżimu zużycia ciepła i wskaźników ekonomicznych.

Rysunek 4 przedstawia schemat systemu ogrzewania energią słoneczną dla domu energooszczędnego i przyjaznego dla środowiska.

System wykorzystuje wodę jako czynnik chłodzący w temperaturach dodatnich oraz środek zapobiegający zamarzaniu w okresie grzewczym (obieg solarny), wodę (drugi obieg ogrzewania podłogowego) i powietrze (trzeci obieg powietrznego ogrzewania solarnego).

Jako źródło rezerwowe wykorzystano kocioł elektryczny, a do akumulacji ciepła na jeden dzień wykorzystano akumulator o pojemności 5 m 3 z przystawką żwirową. Jeden metr sześcienny kamieni akumuluje średnio 5 MJ ciepła dziennie.

Niskotemperaturowe systemy magazynowania ciepła obejmują zakres temperatur od 30 do 100 ◦C i znajdują zastosowanie w instalacjach grzewczych powietrznych (30 ◦ C) i wodnych (30–90 ◦ C) oraz systemów ciepłej wody (45–60 ◦ C).

System magazynowania ciepła z reguły składa się ze zbiornika, materiału akumulującego ciepło służącego do akumulacji i magazynowania energii cieplnej, urządzeń do wymiany ciepła do dostarczania i usuwania ciepła podczas ładowania i rozładowywania akumulatora oraz izolacji termicznej.

Baterie można klasyfikować ze względu na charakter procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w materiałach akumulujących ciepło:

1. akumulatory pojemnościowe, które wykorzystują pojemność cieplną nagrzanego materiału (kamyki, woda, wodne roztwory soli itp.);
2. akumulatory przemian fazowych substancji, które wykorzystują ciepło topnienia (krzepnięcia) substancji;
3. akumulatory energii oparte na uwalnianiu i pochłanianiu ciepła podczas odwracalnych reakcji chemicznych i fotochemicznych.

Najszerzej stosowane akumulatory ciepła są typu pojemnościowego.

Ilość ciepła Q (kJ), jaką można zgromadzić w pojemnościowym akumulatorze ciepła, określa się ze wzoru

Najbardziej efektywnym materiałem akumulującym ciepło w płynnych systemach solarnych jest woda. Do sezonowej akumulacji ciepła obiecujące jest wykorzystanie podziemnych zbiorników, gleby skalnej i innych naturalnych formacji.

Koncentrujące odbiorniki słoneczne to zwierciadła sferyczne lub paraboliczne (rys. 5.), wykonane z polerowanego metalu, w ognisku którego umieszczony jest element odbierający ciepło (kocioł solarny), przez który przepływa czynnik chłodzący. Jako chłodziwo stosuje się wodę lub niezamarzające ciecze. W przypadku stosowania wody jako chłodziwa w nocy i podczas zimnych okresów należy opróżnić układ, aby zapobiec jego zamarznięciu.

Aby zapewnić wysoka wydajność W procesie wychwytywania i przetwarzania promieniowania słonecznego koncentrujący odbiornik energii słonecznej musi być stale skierowany ściśle na Słońce. W tym celu odbiornik solarny wyposażony jest w układ śledzący, składający się z czujnika kierunku skierowania na Słońce, elektronicznego modułu przetwarzającego sygnał oraz silnik elektryczny wraz z przekładnią umożliwiającą obrót konstrukcji odbiornika słonecznego w dwóch płaszczyznach.

Zaletą systemów z koncentracyjnymi odbiornikami energii słonecznej jest możliwość wytworzenia ciepła o stosunkowo wysokiej temperaturze (do 100◦C), a nawet pary. Wady obejmują wysoki koszt projekty; potrzeba ciągłego czyszczenia powierzchni odblaskowych z kurzu; pracować tylko w godzinach dziennych, a zatem potrzeba dużych baterii; duże koszty energii potrzebnej do zasilania systemu śledzenia słońca, proporcjonalne do wytworzonej energii. Wady te utrudniają powszechne stosowanie aktywnych niskotemperaturowych systemów ogrzewania słonecznego z koncentracyjnymi odbiornikami energii słonecznej. W ostatnim czasie coraz częściej w niskotemperaturowych instalacjach grzewczych wykorzystuje się płaskie odbiorniki słoneczne.

Kolektory słoneczne płaskie

Płaski kolektor słoneczny to wymiennik ciepła przeznaczony do podgrzewania cieczy lub gazu za pomocą energii słonecznej. Zakres zastosowania płaskich kolektorów słonecznych to instalacje grzewcze budynków mieszkalnych i przemysłowych, instalacje klimatyzacyjne, instalacje ciepłej wody użytkowej, a także elektrownie wykorzystujące niskowrzący czynnik roboczy, pracujące najczęściej w cyklu Rankine’a. Płaskie kolektory słoneczne (rysunki 6 i 7) składają się ze szkła lub pokrycie z tworzywa sztucznego(pojedyncze, podwójne, potrójne), panel odbierający ciepło pomalowany na czarno od strony skierowanej w stronę słońca, izolacja od strony tylnej i obudowa (metal, plastik, szkło, drewno).

Jako panel odbierający ciepło można zastosować dowolny arkusz metalu lub tworzywa sztucznego z kanałami na chłodziwo. Panele odbierające ciepło wykonane są z aluminium lub stali dwojakiego rodzaju: blacha rurowa i panele tłoczone (rura w blasze). Panele z tworzyw sztucznych, ze względu na ich kruchość i szybkie starzenie się pod wpływem światła słonecznego, a także niską przewodność cieplną, nie są powszechnie stosowane. Pod wpływem promieniowania słonecznego panele odbierające ciepło nagrzewają się do temperatury 70–80 ◦ C, przekraczającej temperaturę otoczenia, co prowadzi do wzrostu konwekcyjnego przenoszenia ciepła przez panel do otoczenia i promieniowania własnego do nieba . Aby uzyskać wyższą temperaturę chłodziwa, powierzchnię płyty pokryto warstwami selektywnymi widmowo, które aktywnie pochłaniają krótkofalowe promieniowanie słoneczne i redukują własne promieniowanie cieplne w długofalowej części widma. Takie konstrukcje oparte na „czarnym niklu”, „czarnym chromie”, tlenku miedzi na aluminium, tlenku miedzi na miedzi i innych są drogie (ich koszt jest często porównywalny z kosztem samego panelu odbierającego ciepło). Innym sposobem na poprawę wydajności kolektorów płaskich jest wytworzenie próżni pomiędzy panelem odbierającym ciepło a przezroczystą izolacją w celu ograniczenia strat ciepła (kolektory słoneczne czwartej generacji).

Zasada działania kolektora polega na tym, że odbiera on promieniowanie słoneczne z odpowiednio wysokim współczynnikiem absorpcji światła widzialnego i ma stosunkowo niskie straty cieplne, m.in. ze względu na niską przepuszczalność półprzezroczystej powłoki szklanej dla promieniowania cieplnego w temperaturze roboczej . Oczywiste jest, że temperatura powstałego chłodziwa zależy od bilansu cieplnego kolektora. Dochodząca część bilansu reprezentuje strumień ciepła promieniowania słonecznego, biorąc pod uwagę sprawność optyczną kolektora; część zużywaną określa się na podstawie pobranego ciepła użytkowego, współczynnika całkowitej straty ciepła i różnicy temperatura robocza i środowisko. O doskonałości kolektora decyduje jego sprawność optyczna i cieplna.

Sprawność optyczna η o pokazuje, jaka część promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni oszklenia kolektora jest pochłaniana przez czarną powierzchnię pochłaniającą promieniowanie i uwzględnia straty energii związane z absorpcją w szybie, odbiciem oraz różnicą współczynnika emisyjności cieplnej kolektora powierzchnia absorbująca jedność.

Najprostszy kolektor słoneczny z jednoszybową powłoką półprzezroczystą, izolacją pozostałych powierzchni pianką poliuretanową i absorberem pokrytym czarną farbą ma sprawność optyczną około 85% i współczynnik strat ciepła rzędu 5–6 W/( m 2 K) (ryc. 7). Połączenie płaskiej powierzchni pochłaniającej promieniowanie i rur (kanałów) doprowadzających chłodziwo tworzy jedną całość element konstrukcyjny- absorber. Kolektor taki latem na średnich szerokościach geograficznych może podgrzać wodę do temperatury 55–60 ◦ C, a jego dobowa wydajność wynosi średnio 70–80 litrów wody na 1 m2 powierzchni grzejnika.

W celu uzyskania wyższych temperatur stosuje się kolektory wykonane z rur próżniowych z powłoką selektywną (rys. 8).

W kolektorze próżniowym objętość zawierająca czarną powierzchnię pochłaniającą promieniowanie słoneczne oddzielona jest od otoczenia próżnią (każdy element absorbera umieszczony jest w osobnej szklanej rurce, wewnątrz której wytwarza się próżnia), co sprawia, że możliwe jest niemal całkowite wyeliminowanie strat ciepła do otoczenia na skutek przewodzenia ciepła i konwekcji. Straty na promieniowanie są w dużym stopniu eliminowane poprzez zastosowanie powłok selektywnych. W kolektorze próżniowym chłodziwo można podgrzać do temperatury 120–150 ◦C. Wydajność kolektora próżniowego jest znacznie wyższa niż kolektor płaski, ale kosztuje też znacznie więcej.

Sprawność instalacji fotowoltaicznych w dużej mierze zależy od właściwości optycznych powierzchni pochłaniającej promieniowanie słoneczne. Aby zminimalizować straty energii, konieczne jest, aby w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni współczynnik absorpcji tej powierzchni był jak najbliżej jedności, a w obszarze długości fal własnego promieniowania cieplnego powierzchni, współczynnik absorpcji współczynnik odbicia powinien dążyć do jedności. Zatem powierzchnia musi mieć właściwości selektywne - dobrze absorbować promieniowanie krótkofalowe i dobrze odbijać promieniowanie długofalowe.

Ze względu na rodzaj mechanizmu odpowiedzialnego za selektywność właściwości optycznych wyróżnia się cztery grupy powłok selektywnych:

1. własny;
2. dwuwarstwowy, w którym warstwa wierzchnia posiada duży współczynnik absorpcja w zakresie widzialnym widma i niska w obszarze podczerwieni, a dolna warstwa ma wysoki współczynnik odbicia w obszarze podczerwieni;
3. z mikroreliefem zapewniającym pożądany efekt;
4. ingerencja

Niewielka liczba znanych materiałów, na przykład W, Cu2S, HfC, ma własną selektywność właściwości optycznych.

Najczęściej stosowane są dwuwarstwowe powłoki selektywne. Na powierzchnię, której należy nadać selektywne właściwości, nakłada się warstwę o wysokim współczynniku odbicia w zakresie fal długich widma, na przykład miedź, nikiel, molibden, srebro, aluminium. Na wierzch tej warstwy nakładana jest warstwa, która jest przezroczysta w obszarze fal długich, ale ma wysoki współczynnik absorpcji w obszarach widma widzialnego i bliskiej podczerwieni. Wiele tlenków ma takie właściwości.

Selektywność powierzchni można zapewnić dzięki czynnikom czysto geometrycznym: nieregularności powierzchni muszą być większe niż długość fali światła w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni widma oraz mniejsze niż długość fali odpowiadająca naturalnemu promieniowanie cieplne powierzchnie. Taka powierzchnia będzie czarna dla pierwszego z tych obszarów widmowych, a lustrzana dla drugiego.

Powierzchnie o strukturze dendrytycznej lub porowatej z odpowiednią wielkością igieł dendrytycznych lub porów mają właściwości selektywne.

Powierzchnie selektywne względem zakłóceń utworzone są przez kilka naprzemiennych warstw metalu i dielektryka, w których promieniowanie krótkofalowe jest tłumione w wyniku zakłóceń, a promieniowanie długofalowe jest swobodnie odbijane.

Skala wykorzystania słonecznych systemów grzewczych

Według IEA na koniec 2001 roku łączna powierzchnia zainstalowanych kolektorów w 26 krajach najbardziej aktywnych w tym zakresie wyniosła około 100 mln m 2 , z czego 27,7 mln m 2 stanowiły kolektory nieszkliwione, wykorzystywane głównie do podgrzewania wody w basenach. Pozostałe – kolektory płaskie przeszklone i kolektory z rurami próżniowymi – znalazły zastosowanie w instalacjach ciepłej wody użytkowej lub do ogrzewania pomieszczeń. Pod względem powierzchni zainstalowanych kolektorów na 1000 mieszkańców prym wiodą Izrael (608 m2), Grecja (298) i Austria (220). Następna jest Turcja, Japonia, Australia, Dania i Niemcy z konkretną powierzchnią zainstalowanych kolektorów wynoszącą 118–45 m2/1000 mieszkańców.

Całkowita powierzchnia kolektorów słonecznych zainstalowanych do końca 2004 roku w krajach UE osiągnęła 13,96 mln m2, a na świecie przekroczyła już 150 mln m2. Roczny wzrostŚrednia powierzchnia kolektorów słonecznych w Europie wynosi 12%, a w niektórych krajach kształtuje się na poziomie 28–30% i więcej. Światowym liderem pod względem liczby kolektorów na tysiąc mieszkańców jest Cypr, gdzie 90% domów wyposażonych jest w instalacje fotowoltaiczne (na tysiąc mieszkańców przypada 615,7 m 2 kolektorów słonecznych), a następnie Izrael, Grecja i Austria. Absolutnym liderem w obszarze kolektorów instalowanych w Europie są Niemcy – 47%, następnie Grecja – 14%, Austria – 12%, Hiszpania – 6%, Włochy – 4%, Francja – 3%. Kraje europejskie są niekwestionowanymi liderami w rozwoju nowych technologii solarnych systemów grzewczych, jednak pod względem wielkości uruchomień nowych instalacji fotowoltaicznych daleko im do Chin.

Z całkowitej powierzchni kolektorów słonecznych zainstalowanych na świecie w 2004 roku 78% zainstalowano w Chinach. Rynek IED w Chinach rośnie ostatnio w tempie 28% rocznie.

W 2007 roku łączna powierzchnia zainstalowanych kolektorów słonecznych na świecie wyniosła już 200 mln m2, w tym w Europie ponad 20 mln m2.

Dziś na rynku światowym koszt urządzenia IED (rys. 9), w skład którego wchodzi kolektor o powierzchni 5–6 m2, zbiornik akumulacyjny o pojemności około 300 litrów oraz niezbędna armatura, wynosi 300–400 dolarów USA za 1 m2 kolektora. Systemy tego typu instalowane są głównie w indywidualnych domach jedno- i dwurodzinnych i posiadają grzałkę rezerwową (elektryczną lub gazową). Instalując zasobnik nad kolektorem, instalacja może pracować w trybie naturalnego obiegu (zasada termosyfonu); podczas instalowania zbiornika magazynowego w piwnicy - wymuszone.

W praktyce światowej najbardziej rozpowszechnione są małe systemy ogrzewania słonecznego. Z reguły do ​​takich systemów zaliczają się kolektory słoneczne o łącznej powierzchni 2–8 m2, zbiornik akumulacyjny, którego pojemność zależy od powierzchni zainstalowanych kolektorów, pompa obiegowa (w zależności od rodzaju obwód termiczny) i inny sprzęt pomocniczy.

Systemy aktywne duży rozmiar, w których zbiornik akumulacyjny znajduje się pod kolektorami, a cyrkulacja chłodziwa odbywa się za pomocą pompy, służą do zaopatrzenia w ciepłą wodę i potrzeb grzewczych. Z reguły w systemach aktywnych zajmujących się pokryciem części obciążenia grzewczego zapewnione jest rezerwowe źródło ciepła zasilane energią elektryczną lub gazem.

Stosunkowo nowym zjawiskiem w praktyce wykorzystania ogrzewania słonecznego jest duże systemy, zdolne zaspokoić potrzeby zaopatrzenia w ciepłą wodę i ogrzewania budynków mieszkalnych lub całych obszarów mieszkalnych. Systemy takie zapewniają dobową lub sezonową akumulację ciepła. Akumulacja dobowa zakłada zdolność systemu do pracy przy zużyciu ciepła zgromadzonego w ciągu kilku dni, sezonowo - w ciągu kilku miesięcy. Do sezonowej akumulacji ciepła wykorzystuje się duże podziemne zbiorniki wypełnione wodą, do których odprowadzany jest cały nadmiar ciepła odebranego w okresie letnim z kolektorów. Inną opcją akumulacji sezonowej jest ogrzewanie gleby za pomocą studni z rurami, którymi krąży gorąca woda pochodząca z kolektorów.

W tabeli 1 przedstawiono główne parametry dużych instalacji fotowoltaicznych z dobowym i sezonowym magazynowaniem ciepła w porównaniu z małą instalacją fotowoltaiczną dla domu jednorodzinnego.

Tabela 1. — Główne parametry słonecznych systemów grzewczych

Obecnie w Europie funkcjonuje 10 systemów ogrzewania słonecznego o powierzchni kolektorów od 2400 do 8040 m2, 22 systemy o powierzchni kolektorów od 1000 do 1250 m2 oraz 25 systemów o powierzchni kolektorów od 500 do 1000 m2. Poniżej znajdują się specyfikacje niektórych większych systemów.

Hamburg, Niemcy). Powierzchnia ogrzewanego lokalu wynosi 14800 m2. Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 3000 m2. Objętość wodnego akumulatora ciepła wynosi 4500 m3.

Fridrichshafen (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanych lokali to 33 000 m2. Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 4050 m2. Objętość wodnego akumulatora ciepła wynosi 12000 m3.

Ulm-am-Neckar (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanych lokali to 25 000 m2. Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 5300 m2. Objętość gruntowego akumulatora ciepła wynosi 63400 m3.

Rostock (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanych pomieszczeń wynosi 7000 m2. Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 1000 m2. Pojemność gruntowego akumulatora ciepła wynosi 20 000 m3.

Hemnitza (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanego lokalu wynosi 4680 m2. Powierzchnia próżniowych kolektorów słonecznych wynosi 540 m2. Pojemność żwirowo-wodnego akumulatora ciepła wynosi 8000 m3.

Attenkirchen (Niemcy). Powierzchnia ogrzewanego lokalu wynosi 4500 m2. Powierzchnia próżniowych kolektorów słonecznych wynosi 800 m2. Objętość gruntowego akumulatora ciepła wynosi 9850 m3.

Saro (Szwecja). System składa się z 10 małe domy, w tym 48 mieszkań. Powierzchnia kolektorów słonecznych wynosi 740 m2. Objętość wodnego akumulatora ciepła wynosi 640 m3. Instalacja solarna pokrywa 35% całkowitego obciążenia cieplnego systemu grzewczego.

Obecnie w Rosji istnieje kilka firm produkujących kolektory słoneczne nadające się do niezawodnej pracy. Najważniejsze z nich to Zakład Mechaniczny Kovrov, NPO Mashinostroenie i CJSC ALTEN.

Kolektory Zakładów Mechanicznych Kovrov (rys. 10), które nie posiadają powłoki selektywnej, są tanie i proste w konstrukcji, skierowane są głównie na rynek krajowy. W Region Krasnodarski Obecnie zainstalowanych jest ponad 1500 kolektorów tego typu.

Charakterystyka kolektora NPO Mashinostroyenia jest zbliżona do standardów europejskich. Absorber kolektora wykonany jest ze stopu aluminium z powłoką selektywną i przeznaczony jest przede wszystkim do pracy w m.in obwody dwuobwodowe dostarczanie ciepła, ponieważ bezpośredni kontakt wody ze stopami aluminium może prowadzić do korozji wżerowej kanałów, przez które przepływa chłodziwo.

Kolektor ALTEN-1 ma absolutnie nowy design i spełnia normy europejskie, może być stosowany zarówno w jedno-, jak i dwuprzewodowych schematach zaopatrzenia w ciepło. Kolektor wyróżnia się wysokimi parametrami cieplnymi, szerokim zakresem możliwych zastosowań, niską wagą oraz atrakcyjnym designem.

Doświadczenie w eksploatacji instalacji opartych na kolektorach słonecznych ujawniło szereg wad tego typu systemów. Przede wszystkim jest to wysoki koszt kolektorów związany z powłokami selektywnymi, zwiększającymi przezroczystość przeszkleń, odkurzaniem itp. Znacząca wada jest konieczność częstego czyszczenia szyby z kurzu, co praktycznie eliminuje zastosowanie kolektora w obszarach przemysłowych. Podczas długotrwałej eksploatacji kolektorów słonecznych, zwłaszcza w warunkach zimowych, obserwuje się częste ich awarie spowodowane nierównomiernym rozszerzaniem się oświetlonych i zaciemnionych obszarów szyb na skutek naruszenia integralności przeszklenia. Występuje również duży odsetek awarii kolektorów podczas transportu i montażu. Istotną wadą systemów operacyjnych z kolektorami jest także nierównomierne obciążenie w ciągu roku i dnia. Doświadczenie w eksploatacji kolektorów w Europie i europejskiej części Rosji przy dużym udziale promieniowania rozproszonego (do 50%) pokazało niemożność stworzenia całorocznego System autonomiczny zaopatrzenie w ciepłą wodę i ogrzewanie. Wszystkie systemy fotowoltaiczne z kolektorami słonecznymi w średnich szerokościach geograficznych wymagają zainstalowania zbiorników magazynujących o dużej pojemności i włączenia do systemu dodatkowego źródła energii, co zmniejsza efekt ekonomiczny ich użytkowania. Z tego względu najbardziej wskazane jest stosowanie ich w pomieszczeniach o dużym natężeniu promieniowania słonecznego (nie mniejszym niż 300 W/m2).

Efektywne wykorzystanie energii słonecznej

W budynkach mieszkalnych i budynki administracyjne Energia słoneczna wykorzystywana jest głównie w postaci ciepła na potrzeby zaopatrzenia w ciepłą wodę, ogrzewania, chłodzenia, wentylacji, suszenia itp.

Z ekonomicznego punktu widzenia wykorzystanie ciepła słonecznego jest najkorzystniejsze przy budowie systemów zaopatrzenia w ciepłą wodę oraz w instalacjach podgrzewania wody o podobnym wykonaniu technicznym (w basenach, urządzenia przemysłowe). Zaopatrzenie w ciepłą wodę jest niezbędne w każdym budynku mieszkalnym, a ponieważ zapotrzebowanie na ciepłą wodę zmienia się stosunkowo mało w ciągu roku, wydajność takich instalacji jest wysoka i szybko się zwracają.

W przypadku systemów ogrzewania słonecznego okres ich użytkowania w ciągu roku jest krótki, w okresie grzewczym natężenie promieniowania słonecznego jest niskie, w związku z czym powierzchnia kolektorów jest znacznie większa niż w systemach zaopatrzenia w ciepłą wodę, a efektywność ekonomiczna jest niżej. Zazwyczaj podczas projektowania łączony jest system ogrzewania słonecznego i zaopatrzenia w ciepłą wodę.

W systemach chłodzenia energią słoneczną okres eksploatacji jest jeszcze krótszy (trzy miesiące letnie), co prowadzi do długich przestojów urządzeń i bardzo niskiego stopnia ich wykorzystania. Biorąc pod uwagę wysoki koszt sprzętu chłodniczego, efektywność ekonomiczna systemów staje się minimalna.

Roczny stopień wykorzystania urządzeń w skojarzonych systemach zaopatrzenia w ciepło i zimno (zaopatrzenie w ciepłą wodę, ogrzewanie i chłodzenie) jest najwyższy i systemy te są na pierwszy rzut oka bardziej opłacalne niż skojarzone systemy zaopatrzenia w ciepło i ciepłą wodę. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę koszt niezbędnych kolektorów słonecznych i mechanizmów układu chłodzenia, okazuje się, że tego typu instalacje fotowoltaiczne będą bardzo drogie i raczej nie będą opłacalne ekonomicznie.

Tworząc systemy ogrzewania słonecznego, należy zastosować schematy pasywne, aby zwiększyć izolację termiczną budynku i efektywnie wykorzystać promieniowanie słoneczne wpadające przez otwory okienne. Problem izolacji termicznej należy rozwiązać w oparciu o elementy architektoniczne i konstrukcyjne, stosując materiały i konstrukcje o niskiej przewodności cieplnej. Zaleca się uzupełnianie brakującego ciepła za pomocą aktywnych instalacji fotowoltaicznych.

Charakterystyka ekonomiczna kolektorów słonecznych

Główny problem powszechnego stosowania instalacji fotowoltaicznych wiąże się z ich małą efektywnością ekonomiczną w porównaniu z tradycyjnymi systemami zaopatrzenia w ciepło. Koszt energii cieplnej w instalacjach z kolektorami słonecznymi jest wyższy niż w instalacjach na paliwa tradycyjne. Okres zwrotu inwestycji w instalację fotowoltaiczną T app można wyznaczyć ze wzoru:

Efekt ekonomiczny instalacji kolektorów słonecznych w obszarach scentralizowanego zaopatrzenia w energię E można zdefiniować jako dochód ze sprzedaży energii w całym okresie użytkowania instalacji pomniejszony o koszty eksploatacji:

W tabeli 2 przedstawiono koszt systemów ogrzewania energią słoneczną (w cenach z 1995 r.). Z danych wynika, że ​​inwestycje krajowe są 2,5–3 razy tańsze od zagranicznych.

Niską cenę systemów krajowych tłumaczy się tym, że są one wykonane z tanich materiałów, proste w konstrukcji i skierowane na rynek krajowy.

Tabela 2. - Koszt słonecznych systemów grzewczych

Specyficzny skutek ekonomiczny (E/S) w strefie ciepłownictwo miejskie w zależności od żywotności kolektorów waha się od 200 do 800 rubli/m2.

Instalacje ciepłownicze wyposażone w kolektory słoneczne mają znacznie większy efekt ekonomiczny w regionach oddalonych od scentralizowanych sieci energetycznych, które w Rosji stanowią ponad 70% jej terytorium i liczącego około 22 miliony mieszkańców. Instalacje te przeznaczone są do samodzielnej pracy dla odbiorców indywidualnych, gdzie zapotrzebowanie na energię cieplną jest bardzo duże. Jednocześnie koszt paliw tradycyjnych jest znacznie wyższy niż ich koszt w strefach ciepłowniczych ze względu na koszty transportu oraz straty paliwa w transporcie, tj. koszt paliwa w regionie C tr uwzględnia czynnik regionalny r r:

gdzie r đ > 1 i może zmieniać jego wartość dla różnych regionów. Jednocześnie koszt jednostkowy instalacji C prawie się nie zmienia w porównaniu z C tr. Dlatego zastępując C t przez C tr we wzorach

Obliczony okres zwrotu dla instalacji autonomicznych na obszarach oddalonych od sieci scentralizowanych zmniejsza się r-krotnie, a efekt ekonomiczny wzrasta proporcjonalnie do r.

W dzisiejszych warunkach w Rosji, gdy ceny energii stale rosną i są nierówne w poszczególnych regionach ze względu na warunki transportu, decyzja o ekonomicznej wykonalności wykorzystania kolektorów słonecznych w dużym stopniu zależy od lokalnych warunków społeczno-ekonomicznych, geograficznych i klimatycznych.

System ogrzewania solarno-geotermicznego

Z punktu widzenia nieprzerwanego dostarczania energii do odbiorcy najbardziej efektywne są kombinowane systemy technologiczne, wykorzystujące dwa lub więcej rodzajów odnawialnych źródeł energii.

Dzięki energii słonecznej możliwe jest pełne pokrycie zapotrzebowania na ciepłą wodę w domu czas letni. W okresie jesienno-wiosennym ze Słońca można pozyskać do 30% energii potrzebnej do ogrzewania i do 60% zapotrzebowania na ciepłą wodę.

W ostatnich latach aktywnie rozwijają się geotermalne systemy zaopatrzenia w ciepło w oparciu o pompy ciepła. W takich układach, jak wspomniano powyżej, jako podstawowe źródło ciepła wykorzystuje się wodę termalną o niskim potencjale (20–40 ◦ C) lub energię petrotermalną z górnych warstw skorupa Ziemska. W przypadku korzystania z ciepła gruntowego należy zastosować gruntowe wymienniki ciepła, umieszczane albo w pionowych studniach o głębokości 100–300 m, albo poziomo na pewnej głębokości.

Aby skutecznie dostarczać ciepło i ciepłą wodę zdecentralizowanym odbiorcom małej mocy, IPG DSC RAS ​​​​opracował połączony system solarno-geotermalny (rysunek 11).

Taki system składa się z kolektora słonecznego 1, wymiennika ciepła 2, zasobnika 3, pompy ciepła 7 i studniowego wymiennika ciepła 8. Przez kolektor słoneczny krąży czynnik chłodzący (przeciw zamarzaniu). Czynnik chłodzący jest podgrzewany w kolektorze słonecznym energią słońca, a następnie oddaje energię cieplną wodzie poprzez wymiennik ciepła 2, wbudowany w zasobnik 3. Zbiornik magazynuje ciepłą wodę do czasu jej wykorzystania, dlatego musi mieć dobrą izolacja cieplna. W obiegu pierwotnym, w którym znajduje się kolektor słoneczny, można zastosować naturalny lub wymuszony obieg chłodziwa. W zbiorniku akumulacyjnym zabudowana jest także grzałka elektryczna 6. Jeżeli temperatura w zasobniku spadnie poniżej temperatury zadanej (długie pochmurno lub kilka godzin nasłonecznienia w zimie), grzałka elektryczna automatycznie się włączy i podgrzeje wodę do zadanego poziomu. temperatura.

Kolektor słoneczny pracuje przez cały rok i zapewnia ciepłą wodę użytkową, natomiast niskotemperaturowy moduł ogrzewania podłogowego z pompą ciepła (HP) i studnią wymiennika ciepła o głębokości 100–200 m uruchamiany jest tylko w czasie ogrzewania pora roku.

W cyklu HP zimna woda o temperaturze 5 ◦ C opada do studni pierścieniowej wymiennika ciepła i usuwa ciepło niskiej jakości z otaczającej skały. Następnie woda, w zależności od głębokości studni, podgrzewana jest do temperatury 10–15 ◦ C i przez środkową kolumnę rur wypływa na powierzchnię. Aby zapobiec odwrotnemu przepływowi ciepła, kolumna środkowa jest izolowana termicznie od zewnątrz. Na powierzchni woda ze studni trafia do wyparki HP, gdzie niskowrzący czynnik roboczy jest podgrzewany i odparowywany. Po parowniku schłodzona woda jest ponownie przesyłana do studni. W sezonie grzewczym, przy stałym obiegu wody w studni, skała wokół studni stopniowo się ochładza.

Badania obliczeniowe pokazują, że promień frontu chłodzącego w okresie grzewczym może sięgać 5–7 m. W okresie międzygrzejnym, gdy instalacja grzewcza jest wyłączona, następuje częściowe (do 70%) przywrócenie pola temperaturowego wokół. odwiert powstaje w wyniku napływu ciepła ze skał poza strefę chłodzenia; Całkowite przywrócenie pola temperaturowego wokół odwiertu w czasie jego przestoju nie jest możliwe.

Kolektory słoneczne instalowane są w oparciu o zimowy okres pracy systemu, kiedy nasłonecznienie jest minimalne. Latem część ciepłej wody ze zbiornika jest wysyłana do studni, aby całkowicie przywrócić temperaturę głaz wokół studni.

W okresie dogrzewania zawory 13 i 14 są zamknięte, a przy zaworach 15 i 16 otwarte, gorąca woda ze zbiornika akumulatora pompa obiegowa jest pompowany do pierścienia studni, gdzie podczas opadania następuje wymiana ciepła ze skałą otaczającą studnię. Następnie schłodzona woda jest przesyłana z powrotem do zbiornika magazynowego poprzez centralną, izolowaną termicznie kolumnę. Natomiast w sezonie grzewczym zawory 13 i 14 są otwarte, a zawory 15 i 16 są zamknięte.

W proponowanym układ technologiczny Potencjał energii słonecznej wykorzystywany jest do podgrzewania wody w systemie zaopatrzenia w ciepłą wodę oraz skał wokół studni w niskotemperaturowym systemie grzewczym. Odzysk ciepła w skale pozwala na eksploatację systemu zaopatrzenia w ciepło w trybie optymalnym ekonomicznie.

Elektrociepłownie słoneczne

Słońce jest znaczącym źródłem energii na planecie Ziemia. Energia słoneczna bardzo często staje się przedmiotem różnorodnych dyskusji. Gdy tylko pojawia się projekt nowej elektrowni słonecznej, pojawiają się pytania dotyczące wydajności, wydajności, wielkości zainwestowanych środków i okresu zwrotu.

Niektórzy naukowcy uważają elektrownie słoneczne za zagrożenie dla środowiska. Lustra stosowane w elektrowniach słonecznych bardzo mocno nagrzewają powietrze, co prowadzi do zmian klimatycznych i śmierci przelatujących ptaków. Mimo to w ostatnich latach słonecznie elektrownie cieplne stają się coraz bardziej powszechne. W 1984 r. w pobliżu kalifornijskiego miasta Cramer Junction na pustyni Mojabe uruchomiono pierwszą elektrownię słoneczną (ryc. 6.1). Stacja nosi nazwę Solar Energy Generating System, w skrócie SEGS.

Ryż. 6.1. Elektrownia słoneczna na pustyni Mojabe

W tej elektrowni promieniowanie słoneczne wykorzystywane jest do produkcji pary, która obraca turbinę i wytwarza energię elektryczną. Produkcja energii słonecznej na dużą skalę jest dość konkurencyjna. Obecnie amerykańskie koncerny energetyczne zbudowały już elektrownie słoneczne i cieplne o łącznej mocy zainstalowanej ponad 400 MW, które dostarczają energię elektryczną 350 tys. osób i zastępują 2,3 mln baryłek ropy rocznie. Dziewięć elektrowni zlokalizowanych na pustyni Mojabe ma moc 354 MW moc zainstalowana. Wkrótce rozpoczną się także projekty wykorzystania ciepła słonecznego do wytwarzania energii elektrycznej w innych regionach świata. Indie, Egipt, Maroko i Meksyk opracowują odpowiednie programy. Dotacje na ich finansowanie zapewnia Global Environment Facility (GEF). W Grecji, Hiszpanii i USA nowe projekty rozwijają niezależni producenci energii.

Ze względu na sposób wytwarzania ciepła elektrownie słoneczne dzielą się na koncentratory energii słonecznej (lustra) i stawy słoneczne.

Koncentratory słoneczne

Termiczne elektrownie słoneczne skupiają energię słoneczną za pomocą soczewek i reflektorów. Ponieważ ciepło to można magazynować, elektrownie takie mogą wytwarzać energię elektryczną w razie potrzeby, w dzień i w nocy, przy każdej pogodzie. Duże lustra- z ostrością punktową lub liniową - skoncentruj się promienie słoneczne do punktu, w którym woda zamienia się w parę, uwalniając energię wystarczającą do uruchomienia turbiny. Systemy te mogą przekształcać energię słoneczną w energię elektryczną z wydajnością około 15%. Wszystkie elektrownie cieplne, z wyjątkiem stawów słonecznych, wykorzystują koncentratory w celu uzyskania wysokich temperatur, które odbijają światło słoneczne od większej powierzchni do mniejszej powierzchni odbiornika. Zwykle taki system składa się z koncentratora, odbiornika, chłodziwa, układu magazynowania i układu przesyłu energii. Nowoczesne technologie obejmują koncentratory paraboliczne, lustra paraboliczne i wieże fotowoltaiczne. Można je łączyć z instalacjami spalania paliw kopalnych, a w niektórych przypadkach przystosować do termicznego magazynowania. Główną zaletą takiej hybrydyzacji i magazynowania termicznego jest to, że taka technologia może zapewnić dyspozycyjną produkcję energii elektrycznej, to znaczy energię elektryczną można wytwarzać wtedy, gdy jest ona potrzebna. Hybrydyzacja i magazynowanie termiczne mogą zwiększyć wartość ekonomiczną wyprodukowanej energii elektrycznej i obniżyć jej średni koszt.

Instalacje fotowoltaiczne z koncentratorem parabolicznym

Niektóre cieplne elektrownie słoneczne wykorzystują zwierciadła paraboliczne, które skupiają światło słoneczne na rurach odbiorczych zawierających płyn chłodzący. Ciecz ta jest podgrzewana do temperatury prawie 400°C i pompowana przez szereg wymienników ciepła; wytwarza to przegrzaną parę, która napędza konwencjonalny turbogenerator do produkcji energii elektrycznej. Aby zmniejszyć straty ciepła, rurkę odbiorczą można otoczyć przezroczystą szklaną rurką umieszczoną wzdłuż linii ogniskowej cylindra. Zazwyczaj takie instalacje obejmują jednoosiowe lub dwuosiowe systemy śledzenia energii słonecznej. W rzadkich przypadkach są one stacjonarne (ryc. 6.2).

Ryż. 6.2. Instalacja fotowoltaiczna z koncentratorem parabolicznym

Szacunki dotyczące tej technologii wskazują na wyższy koszt wytworzonej energii elektrycznej niż w przypadku innych elektrowni słonecznych. Dzieje się tak na skutek niskiego stężenia promieniowania słonecznego i niższych temperatur. Jednakże pod warunkiem gromadzenia doświadczenia operacyjnego, doskonalenia technologii i redukcji koszty operacyjne koncentratory paraboliczne mogą być najtańsze i najbardziej niezawodna technologia bliska przyszłość.

Elektrownia słoneczna typu talerzowego

Instalacje solarne typu talerzowego to bateria parabolicznych zwierciadeł talerzowych przypominających kształtem antena satelitarna, które skupiają energię słoneczną na odbiornikach znajdujących się w ognisku każdej czaszy (rys. 6.3). Ciecz w odbiorniku podgrzewana jest do temperatury 1000°C i jest bezpośrednio wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej w małym silniku i generatorze podłączonym do odbiornika.

Ryż. 6.3. Instalacja solarna typu antenowego

Wysoka sprawność optyczna i niskie koszty początkowe sprawiają, że systemy zwierciadlane/silnikowe są najbardziej wydajną ze wszystkich technologii fotowoltaicznych. Układ silnika Stirlinga i zwierciadła parabolicznego jest rekordzistą świata w efektywności przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną. W 1984 r. Rancho Mirage w Kalifornii osiągnęło praktyczną wydajność na poziomie 29%. Dzięki swojej modułowej budowie systemy tego typu stanowią najlepszą opcję pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną zarówno odbiorców autonomicznych, jak i odbiorców hybrydowych pracujących we wspólnej sieci.

Elektrownie słoneczne typu wieżowego

Elektrownie słoneczne typu wieżowego z odbiornikiem centralnym Elektrownie wieżowe z odbiornikiem centralnym wykorzystują wirujące pole reflektorów heliostatu. Skupiają one światło słoneczne na centralnym odbiorniku zbudowanym na szczycie wieży, który pochłania energię cieplną i napędza turbogenerator (Rys. 6.4, Rys. 6.5).

Ryż. 6.4. Typ wieżowy elektrowni słonecznej z odbiornikiem centralnym

Sterowany komputerowo dwuosiowy system śledzenia ustawia heliostaty w taki sposób, że odbite promienie słońca są nieruchome i zawsze padają na odbiornik. Ciecz krążąca w odbiorniku przekazuje ciepło do akumulatora ciepła w postaci pary. Para napędza turbinę wytwarzającą energię elektryczną lub jest wykorzystywana bezpośrednio w procesach przemysłowych. Temperatura odbiornika mieści się w zakresie od 500 do 1500°C. Dzięki magazynowaniu ciepła elektrownie wieżowe stały się unikalną technologią fotowoltaiczną, która pozwala na wytwarzanie energii elektrycznej według z góry ustalonego harmonogramu.

Ryż. 6.5. Elektrownia wieżowa Solar Two „Solar Two” w Kalifornii

Słoneczne Stawy

Ani lustra skupiające, ani ogniwa fotowoltaiczne nie są w stanie wytwarzać energii w nocy. W tym celu energia słoneczna zgromadzona w ciągu dnia musi być magazynowana w zasobnikach ciepła. Proces ten zachodzi naturalnie w tzw. stawach słonecznych (ryc. 6.6).

Ryż. 6.6. Schemat projektu stawu solarnego
1. Wysokie stężenie soli. 2. Warstwa środkowa. 3. Niskie stężenie soli. 4. Zimna woda „wchodzi” i gorąca woda „wychodzi”

Stawy słoneczne charakteryzują się wysokim stężeniem soli w dolnych warstwach wody, niekonwekcyjną środkową warstwą wody, w której stężenie soli wzrasta wraz z głębokością, oraz warstwą konwekcyjną o niskim stężeniu soli na powierzchni. światło słoneczne spada na powierzchnię stawu, a ciepło zatrzymuje się w dolnych warstwach wody ze względu na wysokie stężenie soli. Woda o dużym zasoleniu, podgrzana energią słoneczną pochłoniętą przez dno stawu, nie może się z tego powodu podnosić duża gęstość. Pozostaje na dnie stawu, stopniowo się nagrzewając, aż prawie się zagotuje. Gorąca „solanka” denna wykorzystywana jest w dzień i w nocy jako źródło ciepła, dzięki czemu specjalna turbina z organicznym chłodziwem może wytwarzać energię elektryczną. Środkowa warstwa stawu solarnego pełni funkcję izolacji termicznej, zapobiegając konwekcji i utracie ciepła z dna na powierzchnię. Do zasilania generatora wystarczy różnica temperatur pomiędzy dnem i powierzchnią wody w stawie. Czynnik chłodzący przepuszczany rurami przez dolną warstwę wody jest następnie wprowadzany do zamkniętego układu Rankine’a, w którym turbina obraca się, wytwarzając energię elektryczną.

Zalety i wady elektrowni słonecznych

Elektrownie wieżowe z odbiornikiem centralnym oraz elektrownie słoneczne z koncentratorami parabolicznymi optymalnie pracują w ramach dużych elektrowni przyłączonych do sieci o mocy 30-200 MW, natomiast elektrownie słoneczne typu płytowego składają się z modułów i mogą można stosować zarówno w instalacjach wolnostojących, jak i w grupach wspólnych o mocy kilku megawatów.

Tabela 6.1 Charakterystyka elektrowni słonecznych

Słoneczne koncentratory paraboliczne są obecnie najbardziej zaawansowaną technologią energii słonecznej i prawdopodobnie będą stosowane w najbliższej przyszłości. Elektrownie wieżowe z odbiornikiem centralnym, dzięki efektywnej pojemności magazynowania ciepła, mogą w niedalekiej przyszłości stać się także elektrowniami słonecznymi. Modułowy charakter instalacji typu dyskowego pozwala na ich zastosowanie w małe instalacje. Elektrownie wieżowe z odbiornikiem centralnym i instalacjami typu talerzowego pozwalają na osiągnięcie wyższych wartości sprawności konwersji energii słonecznej na energię elektryczną przy niższych kosztach niż elektrownie z koncentratorami parabolicznymi. W tabeli Tabela 6.1 przedstawia główne cechy trzech opcji wytwarzania energii słonecznej.