W oparciu o wykorzystanie elektrowni słonecznych omówiono problemy ogrzewania, chłodzenia i zaopatrzenia w ciepłą wodę budynków mieszkalnych, budynki administracyjne, 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;
• Przez rozwiązanie techniczne obwody: jednoobwodowe; podwójny obwód; wieloobwodowy.

Najczęściej stosowane chłodziwa w układach ogrzewanie solarne są cieczami (woda, roztwór glikolu etylenowego, materia organiczna) i powietrze. Każdy z nich ma pewne zalety i wady. Powietrze nie zamarza, nie tworzy duże problemy związane z nieszczelnościami i korozją sprzętu. 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 większość działających systemów solarnych preferuje ciecze. W przypadku potrzeb mieszkaniowych i komunalnych głównym czynnikiem chłodzącym jest woda.

Podczas eksploatacji kolektorów słonecznych w okresach ujemnych temperatur zewnętrznych należy albo zastosować środek przeciw zamarzaniu jako chłodziwo, albo w jakiś sposób zapobiec zamarznięciu chłodziwa (na przykład poprzez terminowe spuszczanie wody, podgrzewanie jej, izolację 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 solarnych 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 lecie. Koszt instalacji systemu grzewczego może wynosić 15-35% kosztu nieruchomości.

DO 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. To jest jeden z charakterystyczne cechy 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 zamienia 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 akumulatora gorąca woda; 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 - przepływ ciepłe powietrze 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.

System wykorzystuje wodę jako czynnik chłodzący w temperaturach dodatnich lub jako środek zapobiegający zamarzaniu sezon grzewczy(obieg solarny), wodę (drugi obieg ogrzewania podłogowego) i powietrze (trzeci obieg solarny powietrzny).

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 zabudowy aktywnej i pasywnej Skuteczne środki i automatyczne metody sterowania.

Opis:

Szczególne znaczenie przy projektowaniu obiektów olimpijskich w Soczi ma wykorzystanie przyjaznych dla środowiska odnawialnych źródeł energii, a przede wszystkim energii promieniowania słonecznego. W związku z tym doświadczenie w opracowywaniu i wdrażaniu pasywnych systemy słoneczne zaopatrzenie w ciepło mieszkań i budynki publiczne w prowincji Liaoning (Chiny), ponieważ położenie geograficzne i warunki klimatyczne tej części Chin są porównywalne z warunkami Soczi.

Doświadczenia Chińskiej Republiki Ludowej

Zhao Jinlinga, doktorat technologia Sciences, Dalian Polytechnic University (PRC), stażysta w Katedrze Przemysłowych Systemów Energetyki Cieplnej,

A. Tak. Szelginski, doktor nauk technicznych nauki, prof., naukowe. Kierownik, MPEI (TU), Moskwa

Szczególne znaczenie przy projektowaniu obiektów olimpijskich w Soczi ma wykorzystanie przyjaznych dla środowiska odnawialnych źródeł energii, a przede wszystkim energii promieniowania słonecznego. W związku z tym interesujące będą doświadczenia w opracowywaniu i wdrażaniu pasywnych systemów ogrzewania słonecznego w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej w prowincji Liaoning (Chiny), ponieważ położenie geograficzne i warunki klimatyczne tej części Chin są porównywalne z warunkami Soczi.

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (OZE) w systemach zaopatrzenia w ciepło jest obecnie istotne i bardzo obiecujące, pod warunkiem kompetentnego podejścia ten przypadek, ponieważ tradycyjne źródła energii (ropa, gaz itp.) nie są nieograniczone. W związku z tym wiele krajów, w tym Chiny, przechodzi na korzystanie z przyjaznych dla środowiska odnawialnych źródeł energii, z których jednym jest ciepło promieniowania słonecznego.

Możliwość efektywne wykorzystanie ciepło promieniowania słonecznego w Chinach Republika Ludowa zależy od regionu, ponieważ warunki klimatyczne w różne części kraje są bardzo różne: od umiarkowanego kontynentalnego (zachód i północ) z gorącymi latami i ostrymi zimami, subtropikalnego w centralnych regionach kraju po tropikalny monsunowy w Południowe wybrzeże i wysp, zależy od położenia geograficznego terytorium, na którym znajduje się obiekt (tabela).

W prowincji Liaoning natężenie promieniowania słonecznego waha się od 5 000 do 5 850 MJ/m2 rocznie (w Soczi około 5 000 MJ/m2 rocznie), co pozwala na aktywne wykorzystanie systemów ogrzewania i chłodzenia budynków w oparciu o wykorzystanie energia promieniowania słonecznego. Takie systemy, które przetwarzają ciepło promieniowania słonecznego i powietrza zewnętrznego, można podzielić na aktywne i pasywne.

Zastosowanie pasywnych systemów solarnych (PSTS). naturalny obieg ogrzane powietrze (rys. 1), czyli siły grawitacyjne.

Aktywne systemy solarne (rys. 2) do zapewnienia swojej pracy wykorzystują dodatkowe źródła energii (np. energię elektryczną). Ciepło promieniowania słonecznego trafia do kolektorów słonecznych, gdzie jest częściowo akumulowane i przekazywane do pośredniego czynnika chłodzącego, który jest transportowany i rozprowadzany po całym obiekcie za pomocą pomp.

Możliwe są systemy o zerowym zużyciu ciepła i chłodu, w których zapewnione są odpowiednie parametry powietrza w pomieszczeniach bez dodatkowego zużycia energii ze względu na:

• niezbędna izolacja termiczna;
• wybór materiały budowlane budynki posiadające odpowiednie właściwości magazynowania ciepła i chłodu;
• zastosowanie w układzie dodatkowych akumulatorów ciepła i chłodu o odpowiednich charakterystykach.

Na ryc. Na rysunku 3 przedstawiono ulepszony schemat działania systemu pasywnego ogrzewania budynku z elementami (zasłonami, zaworami) umożliwiającymi bardziej precyzyjną regulację temperatury powietrza w pomieszczeniu. Od strony południowej budynku zamontowana jest tzw. ściana Trombe, która składa się z masywnej ściany (betonowej, ceglanej lub kamiennej) oraz szklanej przegrody montowanej w niewielkiej odległości od ściany z poza. Zewnętrzna powierzchnia masywnej ściany jest zamalowana ciemny kolor. Przez szklaną przegrodę nagrzewa się masywna ściana oraz powietrze znajdujące się pomiędzy szklaną przegrodą a masywną ścianą. Nagrzewająca masywna ściana z powodu promieniowania i konwekcyjna wymiana ciepła oddaje zgromadzone ciepło do pomieszczenia. Zatem ta konstrukcja łączy w sobie funkcje kolektora i akumulatora ciepła.

Powietrze znajdujące się w warstwie pomiędzy przegrodą szklaną a ścianą wykorzystywane jest jako czynnik chłodzący dostarczający ciepło do pomieszczenia w okresach chłodnych oraz w słoneczne dni. Aby zapobiec utracie ciepła w środowisko w zimnych porach nocy i nadmiernym napływie ciepła w słoneczne dni ciepłego okresu stosuje się zasłony, które znacznie ograniczają wymianę ciepła pomiędzy ścianą litą a otoczeniem zewnętrznym.

Zasłony wykonane są z włókniny ze srebrną powłoką. Aby zapewnić niezbędną cyrkulację powietrza, stosuje się zawory powietrzne, które znajdują się w górnej części i dolne części masywna ściana. Automatyczna kontrola działanie zaworów powietrza pozwala na utrzymanie niezbędnych dopływów lub odpływów ciepła w obsługiwanym pomieszczeniu.

Pasywny system ogrzewania słonecznego działa w następujący sposób:

1. W okresach zimnych (ogrzewanie):

• słoneczny dzień - kurtyna podniesiona, zawory są otwarte(ryc. 3a). Prowadzi to do nagrzania masywnej ściany przez przegrodę szklaną i nagrzania powietrza znajdującego się w warstwie pomiędzy nimi szklana przegroda i ściana. Ciepło dostaje się do pomieszczenia z nagrzanej ściany i powietrza ogrzanego w międzywarstwie, krążąc przez międzywarstwę i pomieszczenie pod wpływem sił grawitacyjnych wywołanych różnicą gęstości powietrza przy różnych temperaturach (cyrkulacja naturalna);
• noc, wieczór lub pochmurny dzień – kurtyna jest opuszczona, zawory zamknięte (rys. 3b). Odpływ ciepła do otoczenie zewnętrzne są znacznie zmniejszone. Temperaturę w pomieszczeniu utrzymuje przepływ ciepła z masywnej ściany, która zgromadziła ciepło z promieniowania słonecznego;

2. W okresie ciepłym (chłodzenie):

• słoneczny dzień – kurtyna jest opuszczona, dolne zawory otwarte, górne zamknięte (rys. 3c). Kurtyna chroni masywną ścianę przed nagrzaniem przez promieniowanie słoneczne. Powietrze na zewnątrz wchodzi do pomieszczenia od zacienionej strony domu i wychodzi przez warstwę pomiędzy szklaną przegrodą a ścianą do otoczenia;
• noc, wieczór lub pochmurny dzień – kurtyna jest podniesiona, dolne zawory są otwarte, górne są zamknięte (rys. 3d). Powietrze zewnętrzne napływa do pomieszczenia z przeciwnej strony domu i wychodzi do otoczenia przez warstwę pomiędzy szklaną przegrodą a litą ścianą. Chłodzenie ściany następuje na skutek konwekcyjnej wymiany ciepła z powietrzem przechodzącym przez warstwę oraz na skutek odpływu ciepła poprzez promieniowanie do otoczenia. Schłodzona ściana w ciągu dnia utrzymuje to, co niezbędne reżim temperaturowy w pokoju.

Do obliczeń pasywnych systemów ogrzewania słonecznego budynków opracowano modele matematyczne niestacjonarnego przenoszenia ciepła podczas konwekcji naturalnej, aby zapewnić pomieszczeniom niezbędne warunki temperaturowe w zależności od właściwości termofizycznych otaczających konstrukcji, dobowych zmian promieniowania słonecznego i temperatury powietrza zewnętrznego.

Aby określić wiarygodność i wyjaśnić uzyskane wyniki, opracowano, wyprodukowano i zbadano eksperymentalny model budynku mieszkalnego zlokalizowanego w Dalian z pasywnymi systemami ogrzewania słonecznego na Politechnice w Dalian. Ścianę Trombe posadowiono wyłącznie na elewacji południowej, z automatycznymi nawiewnikami i kurtynami (ryc. 3, zdjęcie).

Podczas przeprowadzania eksperymentu korzystaliśmy z:

• mała stacja pogodowa;
• przyrządy do pomiaru natężenia promieniowania słonecznego;
• anemograf RHAT-301 do określania prędkości powietrza w pomieszczeniach zamkniętych;
• Termometr i termopary TR72-S do pomiaru temperatury pokojowej.

Badania eksperymentalne przeprowadzono w ciepłych, przejściowych i zimne okresy lat w różnych warunkach meteorologicznych.

Algorytm rozwiązania problemu przedstawiono na rys. 4.

Wyniki eksperymentów potwierdziły wiarygodność uzyskanych obliczonych zależności i umożliwiły korektę poszczególnych zależności z uwzględnieniem określonych warunków brzegowych.

Obecnie w prowincji Liaoning wiele budynków mieszkalnych i szkół wykorzystuje pasywne systemy ogrzewania słonecznego.

Analiza pasywnych systemów zaopatrzenia w energię słoneczną pokazuje, że w niektórych obszarach są one dość obiecujące. regiony klimatyczne w porównaniu z innymi systemami z następujących powodów:

• taniość;
• łatwość konserwacji;
• niezawodność.

Wadą pasywnych systemów ogrzewania słonecznego jest to, że parametry powietrza w pomieszczeniu mogą odbiegać od wymaganych (obliczonych), gdy temperatura powietrza na zewnątrz zmieni się poza przyjęte w obliczeniach wartości graniczne.

Aby uzyskać dobry efekt oszczędności energii w systemach ogrzewania i chłodzenia budynków przy dokładniejszym utrzymaniu warunków temperaturowych w określonych granicach, zaleca się łączenie pasywnych i aktywnych słonecznych systemów ogrzewania i chłodzenia.

W tym zakresie dalsze badania teoretyczne i prace eksperymentalne na modelach fizycznych z uwzględnieniem uzyskanych wcześniej wyników.

Literatura

1. Zhao Jinling, Chen Bin, Liu Jingjun, Wang Yongxun Dynamiczna symulacja wydajności cieplnej ulepszonego pasywnego domu fotowoltaicznego ze ścianą trombe ISES Solar word Congress, 2007, Pekin, Chiny, tomy 1-V: 2234–2237.

2. Zhao Jinling, Chen Bin, Chen Cuiying, Sun Yuanyuan Badanie dynamicznej reakcji termicznej pasywnych systemów ogrzewania słonecznego. Journal of Harbin Institute of Technology (nowa seria). 2007. Cz. 14: 352–355.

MINISTERSTWO ENERGIA I ELEKTRYFIKACJA ZSRR

GŁÓWNY DZIAŁ NAUKOWO-TECHNICZNY
ENERGIA I ELEKTRYFIKACJA

INSTRUKCJE METODOLOGICZNE
DO OBLICZEŃ I PROJEKTOWANIA
SŁONECZNE SYSTEMY OGRZEWANIA

RD 34.20.115-89

USŁUGA DOSKONAŁOŚCI DLA SOYUZTEKHENERGO

Moskwa 1990

ROZWINIĘTY Order Państwowy Czerwonego Sztandaru Pracy Naukowo-Badawczego Instytutu Energetycznego im. G.M. Krzyżanowski

WYKONAWCY M.N. EGAI, O.M. KORSZUNOW, A.S. LEONOVICH, V.V. NUSHTAYKIN, V.K. RYBAŁKO, B.V. TARNIŻEWSKI, W.G. BUŁYCZEW

ZATWIERDZONY Główna Dyrekcja Naukowo-Techniczna Energii i Elektryfikacji 12.07.89

Głowa V.I. KRWAWY

Okres ważności jest ustawiony

od 01.01.90

do 01.01.92

Prawdziwy Wytyczne ustalają procedurę wykonywania obliczeń i zawierają zalecenia dotyczące projektowania systemów ogrzewania energią słoneczną dla budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej i budynki przemysłowe i struktury.

Wytyczne przeznaczone są dla projektantów i inżynierów zajmujących się rozwojem systemów solarnych do ogrzewania i zaopatrzenia w ciepłą wodę.

. POSTANOWIENIA OGÓLNE

gdzie f - udział w całkowitym średniorocznym obciążeniu cieplnym dostarczanym przez energię słoneczną;

gdzie F - powierzchnia SC, m2.

gdzie H jest średnim rocznym całkowitym promieniowaniem słonecznym na powierzchni poziomej, kWh/m2 ; znajduje się z aplikacji;

a, b - parametry wyznaczone z równań () i ()

gdzie r - charakterystyka właściwości termoizolacyjnych przegród zewnętrznych budynku przy stałej wartości obciążenia CWU, to stosunek dobowego obciążenia grzewczego przy temperaturze powietrza zewnętrznego 0°C do dobowego obciążenia CWU. Więcej R , im większy jest udział obciążenia grzewczego w stosunku do udziału obciążenia CWU i tym mniej doskonały jest projekt budynku pod względem strat ciepła; R = 0 jest brane pod uwagę tylko Systemy CWU. Charakterystykę określa wzór

gdzie λ oznacza właściwą stratę ciepła budynku, W/(m 3 °C);

M - liczba godzin w ciągu dnia;

k - stawka wymiany powietrza wentylacyjnego, 1/dobę;

ρ w - gęstość powietrza w temperaturze 0°C, kg/m3;

F - stopa zastąpienia, w przybliżeniu przyjęta od 0,2 do 0,4.

Wartości λ, k, V, t in, s określone podczas projektowania SST.

Wartości współczynnika α dla kolektorów słonecznych Typy II i III

Wartości współczynnika β dla kolektorów słonecznych Typy II i III

Wartości współczynników aibsą ze stołu. .

Wartości współczynników a i B w zależności od rodzaju kolektora słonecznego

gdzie qi - konkretna roczna wydajność grzewcza SGVS według wartości f różni się od 0,5;

Δq - zmiana rocznej właściwej mocy cieplnej SGVS, %.

Zmiana rocznej właściwej mocy cieplnejΔq z rocznego poboru promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą H i współczynnik f

Załącznik 2

Charakterystyka cieplna kolektorów słonecznych

Dodatek 3

Charakterystyka techniczna kolektorów słonecznych

Dodatek 4

Charakterystyka techniczna przepływowych wymienników ciepła typu TT

Dodatek 5

Roczne przybycie całkowitego promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą (N), kW·h/m2

Notatki e. Płyny chłodzące na bazie węglanu potasu mają następujący skład (ułamek masowy):

Przepis 1 Przepis 2

Węglan potasu 1,5-woda 51,6 42,9

Fosforan sodu 12-hydrat 4,3 3,57

Krzemian sodu, 9-hydrat 2,6 2,16

Tetraboran sodu 10-hydrat 2,0 1,66

Fluoreszoina 0,01 0,01

Woda Do 100 Do 100

Średnio w ciągu roku, w zależności od warunków klimatycznych i szerokości geograficznej obszaru, strumień promieniowania słonecznego na powierzchnię ziemi waha się od 100 do 250 W/m2, osiągając wartości szczytowe w południe przy bezchmurnym niebie, niemal w każdym miejscu (niezależnie od szerokości geograficznej), około 1000 W/m2. W warunkach strefa środkowa Rosja Promieniowanie słoneczne„wynosi” na powierzchnię ziemi energię odpowiadającą około 100-150 kg standardowe paliwo za m2 rocznie.

Modelowanie matematyczne najprostszej instalacji solarnej do podgrzewania wody wykonane w Instytucie wysokie temperatury Akademia Rosyjska nauki wykorzystujące nowoczesne oprogramowanie i dane z typowego roku meteorologicznego pokazały to w rzeczywistości warunki klimatyczne w środkowej Rosji wskazane jest korzystanie z mieszkań sezonowych słoneczne podgrzewacze wody czynny od marca do września. Dla instalacji o stosunku powierzchni kolektorów słonecznych do objętości zasobnika wynoszącej 2 m 2 /100 l prawdopodobieństwo dobowego podgrzania wody w tym okresie do temperatury co najmniej 37°C wynosi 50-90% , do temperatury co najmniej 45°C – 30-70%, do temperatury co najmniej 55°C – 20-60%. Maksymalne wartości prawdopodobieństwa dotyczą miesięcy letnich.

„Twój Dom Słoneczny” opracowuje, montuje i dostarcza systemy z pasywnym i aktywnym obiegiem chłodziwa. Opis tych systemów znajdziesz w odpowiednich działach naszej strony internetowej. Zamawianie i zakup odbywa się za pośrednictwem.

Często zadawane jest pytanie, czy w rosyjskich warunkach możliwe jest wykorzystanie systemów ogrzewania słonecznego do ogrzewania. Na ten temat powstał osobny artykuł – „Wspomaganie ogrzewania energią słoneczną”

Kontynuuj czytanie

1. Kolektory słoneczne.

Kolektor słoneczny jest głównym elementem instalacji, w którym energia promieniowania słonecznego zostaje zamieniona na inną postać użyteczna energia. 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 promienie słoneczne Gęstość strumienia padającego promieniowania wynosi w najlepszym razie -1100 W/m2 i wynosi zmienny. 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 ze skupionym promieniowaniem słonecznym, jak i bez niego. 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 obejmuje systemy ogrzewania budynków mieszkalnych i użytkowych budynki przemysłowe, systemy klimatyzacji, zaopatrzenia w ciepłą wodę, a także elektrownie z niskowrzącym płynem roboczym, zwykle pracującym według cyklu Rankine’a.

Głównymi elementami typowego płaskiego kolektora słonecznego (rys. 1) są: „czarna” powierzchnia absorbująca Promieniowanie słoneczne i przekazuje swoją energię czynnikowi chłodzącemu (zwykle cieczy); powłoki przezroczyste dla promieniowania słonecznego umieszczone nad powierzchnią pochłaniającą, które zmniejszają 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 usuniętego z kolektora w przeliczeniu na 1,5 tys określony czas, do ilości energii promieniowania docierającej do niego ze Słońca w tym samym czasie:

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

Optyczny i wydajność termiczna kolekcjonerzy są powiązani pokrewieństwem

Strata ciepła charakteryzuje się współczynnikiem strat całkowitych U

gdzie T a jest temperaturą czarnej powierzchni pochłaniającej promieniowanie słoneczne; T około - temperatura otoczenia.

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 chłodziwa; 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 przypadkach, gdy wymagane jest ogrzewanie do wyższych temperatur, stosuje się kolektory próżniowe. 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, płyn chłodzący w nim można nagrzać do wyższych temperatur (120-150°C) niż w kolektor płaski. Na ryc. Rysunek 9.10 przedstawia 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 szklana rurka z powłoką selektywną; b - rura wewnętrzna do doprowadzania chłodziwa; 7 zewnętrzny pojemnik szklany; 8 próżnia