Солнечное теплоснабжение

1. Солнечные коллекторы.

Солнечный коллектор является основным элементом установки, в которой энергия излучения Солнца преобразуется в другую форму полезной энергии. В отличие от обычных теплообменников, в которых происходит интенсивная передача тепла от одной жидкости к другой, а излучение несущественно, в солнечном коллекторе перенос энергии к жидкости осуществляется от удаленного источника лучистой энергии. Без концентрации солнечных лучей плотность потока падающего излучения составляет в лучшем случае -1100 Вт/м² и является переменной величиной. Длины волн заключены в интервале 0,3 - 3,0 мкм. Они значительно меньше величин длин волн собственного излучения большинства поверхностей, поглощающих излучение. Таким образом, исследование солнечных коллекторов связано с уникальными проблемами теплообмена при низких и переменных плотностях потока энергии и относительно большой роли излучения.

Солнечные коллекторы могут применяться как с концентрацией, так и без концентрации солнечного излучения. В плоских коллекторах поверхность, воспринимающая солнечное излучение, является одновременно поверхностью, поглощающей излучение. Фокусирующие коллекторы, обычно имеющие вогнутые отражатели, концентрируют падающее на всю их поверхность излучение на теплообменник с меньшей площадью поверхности, увеличивая тем самым плотность потока энергии.

1.1. Плоские солнечные коллекторы. Плоский солнечный коллектор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет энергии излучения Солнца.

Плоские коллекторы могут применяться для нагрева теплоносителя до умеренных температур, t ≈ 100 ^oC. К их преимуществам следует отнести возможность использования как прямой, так и рассеянной солнечной радиации; они не требуют слежения за солнцем и не нуждаются в повседневном обслуживании. В конструктивном отношении они проще, чем система, состоящая из концентрирующих отражателей, поглощающих поверхностей и механизмов слежения. Область применения солнечных коллекторов - системы отопления жилых и производственных зданий, системы кондиционирования, горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом, работающие обычно по циклу Ренкина.

Основными элементами типичного плоского солнечного коллектора (рис.1) являются: "черная" поверхность, которая поглощает солнечную радиацию и передает ее энергию теплоносителю (как правило жидкости); прозрачные относительно солнечного излучения покрытия, расположенные над поглощающей поверхностью, которые уменьшают конвективные и радиационные потери в атмосферу; теплоизоляция обратной и торцевой поверхностей коллектора для снижения потерь за счет теплопроводности.

а) б)

Рис.1. Принципиальная схема плоского солнечного коллектора.

а) 1 - прозрачные покрытия; 2 - изоляция; 3 - труба с теплоносителем; 4 - поглощающая поверхность;

б) 1.поверхность, поглощающая солнечную радиацию, 2-каналы теплоносителя, 3-стекло( ??), 4-корпус,

5- тепловая изоляция.

Рис.2 Солнечный коллектор типа лист - труба.

1 - верхний гидравлический коллектор; 2 - нижний гидравлический коллектор; 3 - п труб, расположенных на расстоянии W друг от дру­га; 4 - лист (поглощающая пластина); 5- соединение; 6 - труба (не в масштабе);

7 - изоляция.

1.2. Эффективность коллектора. Эффективность коллектора определяется его оптическим и тепловым КПД. Оптический КПД η_о показывает, какая часть солнечной радиации, достигшая поверхности остекления коллектора, оказывается поглощенной абсорбирующей черной поверхностью, и учитывает потери энергии, связанные с отличием от единицы коэффициента пропускания стекла и коэффициента поглощения абсорбирующей поверхности. Для коллектора с однослойным остеклением

где (τα)_n - произведение коэффициента пропускания стекла τ на коэффициент поглощения α абсорбирующий излучение поверхности при нормальном падении солнечных лучей.

В том случае, если угол падения лучей отличается от прямого, вводится поправочный коэффициент k, учитывающий увеличение потерь на отражение от стекла и поверхности, поглощающей солнечную радиацию. На рис. 3 приведены графики k = f(1/ cos 0 - 1) для коллекторов с однослойным и двухслойным остеклением. Оптический КПД с учетом угла падения лучей, отличного от прямого,

Рис. 3. Поправочный коэффициент, учитывающий отражение солнечных лучей от поверхности стекла и черной абсорбирующей поверхности.

Кроме этих потерь в коллекторе любой конструкции присутствуют потери теплоты в окружающую среду Q_пот, которые учитываются тепловым КПД, который равен отношению количества полезной теплоты, отведенной от коллектора за определенное время, к количеству энергии излучения, поступающей к нему от Солнца за то же время:

где Ω площадь апертуры коллектора; І — плотность потока солнечной радиации.

Оптический и тепловой КПД коллектора связаны отношением

Тепловые потери характеризуются полным коэффициентом потерь U

где Т_а — температура черной поверхности, абсорбирующей солнечную радиацию; Т_о -температура окружающей среды.

Величина U с достаточной для расчетов точностью может считаться постоянной. В этом случае подстановка Q_пот в формулу для теплового кпд приводит к уравнению

Тепловой КПД коллектора может быть записан также через среднюю температуру протекающего через него теплоносителя:

где T_t = (Т_вх + Т_вых) /2 — средняя температура теплоносителя; F' — параметр, обычно называемый «эффективностью коллектора» и характеризующий эффективность переноса теплоты от поверхности, поглощающей солнечную радиацию, к теплоносителю; он зависит от конструкции коллектора и почти не зависит от других факторов; типичные значения параметра F'≈: 0,8—0,9 - для плоских воздушных коллекторов; 0,9—0,95 - для плоских жидкостных коллекторов; 0,95—1,0 - для вакуумных коллекторов.

1.3. Вакуумные коллекторы. В том случае, когда необходим нагрев до более высоких температур, используют вакуумные коллекторы. В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечную радиацию, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет значительно уменьшить поте­ри теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются путем применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до более высоких температур (120—150 °С), чем в плоском коллекторе. На рис. 9.10 показаны примеры конструктивного выполнения вакуумных коллекторов.

Рис. 4. Типы вакуумных коллекторов.

1 - трубка с теплоносителем; 2 - пластина с селективным покрытием, поглощающая солнечное излучение; 3 тепловая труба; 4 теплосъемный элемент; 5 стеклянная трубка с селективным покрытием; б - внутренняя трубка для подачи теплоносителя; 7 наружный стеклянный баллон; 8 вакуум