2.3.4 Солнечные коллекторы. Преобразование солнечной энергии в тепловую.

Солнечная энергия (СЭ) исключительно чистый вид энергии, поэтому её использование прямо не связано с загрязнением окружающей среды, но ее использование затруднено на дне воздушного океана – очень малая средняя плотность – не более 200 Вт/м².

Интенсивность СЭ является функцией многих параметров – широты местности, времени года, времени суток, ориентации поверхности облучения, облачности и т.п. Так суммарная (прямая и рассеянная) средняя интенсивность СЭ на горизонтальную поверхность в пределах Астраханской области (≈ 46-48° с.ш., см. прил. СНиП 23-01-99) при безоблачном небе в июне месяце может достигать более 500 Вт/м², то в декабре, на той же широте она составит не более 200 Вт/м², т.е. в 2,5 раза меньше, причем время солнечного облучения зимой будет примерно в 2 раза короче. Средняя продолжительность солнечного сияния τ_с в месяц и коэффициент ясности за тот же месяц для Астраханской области приведен в таблице 2.

Таблица 2. Средняя продолжительность солнечного сияния τ_с в месяц, коэффициент ясности, угол установки коллектора для Астраханской области

Обозн.	№ месяца
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
τмес, ч/мес	280	293	366	404	460	469	474	436	376	339	284	269
kясн	0,24	0,32	0,44	0,57	0,65	0,71	0,69	0,72	0,68	0,56	0,38	0,22
β(30°)	2,14	1,71	1,42	1,1	1,07	1,02	1,04	1,13	1,3	1,56	1,96	2,31
β(45°)	2,86	1,99	1,49	1,17	1,0	0,92	0,95	1,08	1,33	1,74	2,47	3,27
β(60°)	3,13	2,07	1,45	1,09	0,89	0,8	0,84	0,99	1,26	1,76	2,66	3,64

Современные солнечные коллекторы, как правило, двухтрубные, вакуумные, селективные фирм «Сфинкс» (Франция), «Boch» и «Wolf» (Германия), «Sapun» (Китай) и др., характеристики которых можно найти на сайтах интернета, имеют достаточно высокие показатели эффективного оптического КПД – η₀ равного в пределах 0,85-0,9.

При расчете поверхности (м²) и количества солнечных коллекторов вышеназванных фирм можно следующими правилами.

При проектировании количества солнечных коллекторов для круглогодичного отопления и системы ГВС объекта, их оптическая поверхность (поверхность абсорбции коллекторов с тепловыми трубами) рассчитывается на основании данных СНиП 23-01-99, по суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе с учетом коэффициента ясности (см. табл. 2) для 46-48° с.ш. (Астраханская область). В этом случае коллекторы монтируются (крыша дома, во дворе и т.п.) под углом не менее 60 градусов к горизонту (см. рис. 6). В первом контуре, в который входят солнечные коллекторы, надо применять антифризы с температурой замерзания ниже температуры холодной пятидневки (см. СНиП 23-01-99).

60⁰

Рис. 6 Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения (ССТ).

Система ССТ включает три контура циркуляции:

- первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

- второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3,

- третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 , водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Функционирует ССТ следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2.

Из бака-аккумулятора вода забирается насосом ГВС 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему ГВС здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.

Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4.

В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.

Общую площадь (м²) коллекторов для систем отопления и ГВС можно определить по уравнению:

, [м²], где (2.27)

n = 1,2 – коэффициент запаса.

[кВт] – данные расчета. (2.28)

в долях, (2.29)

полный коэффициент энергетической эффективности коллектора, где:

= 0,85-0,9 – максимальный КПД самого трубчатого селективного или с тепловой трубой коллектора.

= 2÷3 Вт/м^{2 0}С – эффективный коэффициент теплопотерь в окружающую среду.

⁰С – (2.30)

средняя температура антифриза в солнечном коллекторе = 10-15 ⁰С, = 65-70⁰С.

, ⁰С – температура наружного воздуха = -5 ÷ -10 ⁰С.

, Вт/м² – интенсивность солнечного излучения за декабрь месяц по СНиП 23-01-99.

[Вт/м²], где (2.31)

, МДж/м² – суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе в декабре месяце.

– усредненный коэффициент ясности за декабрь месяц в Астраханской области (таб. 2)

, час/мес – общее количество часов в месяц светимости дневного активного солнца (включая облачную погоду).

– поправка на угол наклона солнечного коллектора к горизонту для южных районов Р.Ф. Для углов наклона коллектора к горизонту в 30, 45 и 60 градусов можно принять из таб. 2.

При проектировании солнечных коллекторов для систем только ГВС (весенне-летний-осенний период), необходимо ориентироваться на солнечное излучение на горизонтальную поверхность (СНиП 23-01-99) на март или октябрь (наименьшее излучение). Для данной схемы систем солнечного ГВС наклон батарей к горизонту не должен превышать 30 градусов (см. рис. 7)

30⁰

Рис. 7 Принципиальная схема системы солнечного горячего водоснабжения (ССГВ)

Работа ССГВ осуществляется следующим образом. Циркуляционный насос 5 прокачивает теплоноситель через солнечные коллекторы 1, где он, нагреваясь, отдает в теплообменнике 2 теплоту второго контура. Второй контур образован теплообменником 2, баком-аккумулятором 3 и насосом 5, соединенными между собой трубопроводом. Вода из бака аккумулятора 3 через дублер 4 поступает в систему горячей воды здания. Холодная вода для подпитки поступает в нижнюю часть бака аккумулятора из водопровода.

Общую площадь (м²) солнечных коллекторов для систем только ГВС (весенне-летний-осенний период) можно определить по уравнению:

, [м²], где (2.32)

n = 1,1 – коэффициент запаса.

, кВт – данные расчета.

в долях, (2.33)

полный коэффициент энергетической эффективности коллектора, где:

= 0,85-0,9 – максимальный КПД селективного коллектора.

= 1,5÷2,5 Вт/м^{2 0}С – эффективный коэффициент теплопотерь в окружающую среду.

⁰С – средняя температура антифриза в солнечном коллекторе = 15-20 ⁰С, = 70-75⁰С.

, ⁰С – температура наружного воздуха – средняя за выбранный месяц по СНиП 23-01-99

, Вт/м² – интенсивность солнечного излучения за декабрь месяц по СНиП 23-01-99.

[Вт/м²], где (2.34)

, МДж/м² – суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе за выбранный месяц.

– усредненный коэффициент ясности за выбранный месяц (таб. 2)

, час/мес – общее количество часов в месяц светимости дневного активного солнца (включая облачную погоду).

– поправка на угол наклона солнечного коллектора к горизонту, принять из таб. 2.