Учебники 80362

21

Таблица 2.2 Суммарное месячное поступление солнечной энергии (прямой и рассеянной) на вертикальную поверхность южной ориентации при безоблачном небе в зависи-

мости от географической широты, МДж/(м2·мес)

Примечание: φ - географическая широта, ос.ш..

При необходимости учета действительной облачности различных климатических зон, полученные в соответствии с уравнениями табл. 1.1-1.3 расчетные значения следует умножать на поправочный коэффициент ψ, значения которого приведены в табл. 1.4. Поправочный коэффициент представляет собой отношение солнечной энергии, поступающей при действительных условиях облачности IO и при ясном небе I

Более полные сведения по поправочному коэффициенту ψ приведены в приложении 2.

Таблица 1.4

Значения поправочного коэффициента ψ снижения поступления солнечной энергии

23

Глава 2. Классификация систем солнечного энергообеспечения

Утилизация солнечной радиации возможна посредством двух основополагающих процессаов преобразования электромагнитного излучения. Первое направление связано с высокотехнологичным производством улавливающих элементов, обеспечивающих непосредственное получение электрической энергии или за счет организации термодинамического цикла. Создание таких утилизирующих систем связано с достаточно значительными затратами. Второе направление предполагает преобразование солнечного излучения в низкотемпературную тепловую энергию, которая по своим параметрам может быть эффективно использована в системах горячего водоснабжения, отопления и холодоснабжения. Оно характеризуется относительно меньшими затратами и более высоким КПД применяемого для этой цели оборудования.

2.1.Преобразование солнечной энергии в электрическую

Существует два способа получения электрической энергии при преобразовании солнечного излучения:

Посредством термодинамического цикла, основанного на производстве пара с высокой температурой, направляемого на лопатки турбин; данный способ получения электрической энергии требует применения концентрирующих устройств с системами слежения за Солнцем, чтобы фокусировать излучение на приемнике;

прямое преобразование электромагнитных волн в электрическую энергию

спомощью фотоэлементов.

Первый способ получения электроэнергии применяется только в регио-

нах, обладающих значительными ресурсами солнечной радиации. Второй способ может быть использован повсеместно, но производство электричества пропорционально интенсивности света.

Фотоэлементы могут быть трех типов со следующими значениями КПД: I. монокристаллические, 12-15 %;

II. поликристаллические, 11-14 %;

III.аморфные, 6-7 %

Впоследние десятилетия активно ведутся разработки и исследование фотоэлектрических преобразователей с целью повышения их КПД. На современном этапе при эксплуатации в пределах земной атмосферы КПД применяемых для этой цели полупроводников не достигает 25 %, что создает определенные препятствия их использования в промышленных масштабах.

При освещении полупроводников выше перечисленных типов в их структуре возникает фотоэлектрический эффект. Фотоэлектрическим эффектом называется появление ЭДС и, соответственно, электрического тока в замкнутой цепи под действием солнечной радиации. Фотоны с длиной электромагнитных волн 0,1-0,38 мкм [160, 168], в основном относящихся к ульт-

24

рафиолетовому излучению, выбивают электроны из своих орбит в полупроводниках. В результате образуются отрицательные и положительные заряды, разделенные в пространстве и создающие ЭДС. Получаемые положительные заряды принято условно называть «дырки», а проводимость в этой зоне р- типа. Другая зона относится к n-типа проводимости.

Почти все фотоэлементы представляют систему из двух полупроводников с проводимостями р- и n-типа, находящихся в тесном контакте друг с другом. Граница между областями с противоположными типами проводимости располагается внутри полупроводникового материала и называется элек- тронно-дырочным или р-n переходом.

Под действием света атомы полупроводника возбуждаются и в кристалле как в n, так и в р областях возникают избыточные пары электрон - дырка. Образовавшиеся электроны и дырки, участвуя в тепловом движении, перемещаются в различных направлениях, в том числе и к р-n переходу. Благодаря наличию потенциального барьера электронно-дырочный переход будет разделять диффундирующие к нему избыточные носители тока. В результате такого разделения в n-области кристалла будут накапливаться избыточные электроны, а в р области – избыточные дырки. Такое скопление будет приводить к созданию электрического поля, которое зарядит слой р–типа положительно, а слой n-типа – отрицательно. Между n и р областями пластинки возникнет фото-ЭДС. Концентрация образованных солнечным излучением избыточных носителей тока у р-n перехода, а следовательно, и величина фо- то-ЭДС зависят от интенсивности светового потока и величины нагрузочного сопротивления, включенного во внешнюю цепь фотопреобразователя.

Применяемые полупроводники позволяют создать необходимый р-n переход, но пока более 90 % фотоэлементов, характеризующихся низким КПД, делают из кремния, так как этот элемент после кислорода наиболее распространен и энергии фотонов достаточно для того, чтобы электроны выбить из своих орбит.

2.2.Преобразование солнечной энергии в тепловую

Системы солнечного теплоснабжения по интенсификации процессов излучения подразделяются на активные и пассивные. В пассивных системах в качестве устройств улавливания солнечной радиации, преобразования ее в тепловую энергию и аккумулирования используют ограждающие конструкции зданий. Для такого способа утилизации излучения, как правило, предусматривают окна большой площади на южных фасадах зданий, а аккумулирование избыточной теплоты в этих случаях происходит в массивах внутренних стен и полов. Учитывая значительное остекление сооружений, для снижения теплопотерь в ночное время холодного периода года и теплопоступлений в летний сезон светопрозрачные ограждения оснащаются подвижными экранирующими теплоизолирующими устройствами.

25

Повысить эффективность пассивной системы солнечного отопления можно посредством обустройства дополнительным светопрозрачным ограждением южной стены здания и расположения в ней отверстий для циркуляции воздуха на уровне пола и потолка. При покрытии темными лакокрасочными составами бетонной аккумулирующей стены кпд процесса утилизации излучения может превосходить 40 %.

Пассивные системы солнечного теплоснабжения экономически целесообразны в ресурсообеспеченных районах, характеризующихся умеренной температурой наружного воздуха и достаточным количеством солнечного сияния в холодный период года. Наряду с высокой теплоаккумулирующей способностью южных стен в случае пассивного отопления наружные ограждения должны иметь тепловую изоляцию, в том числе и подвижную экранирующую, в совокупности обеспечивающую энергоэффективную эксплуатацию зданий.

Отличительными особенностями активных систем солнечного теплоснабжения является наличие технических устройств для улавливания и трансформирования излучения, таких как коллекторы, теплообменники, аккумуляторы и средства автоматизации.

Активные системы солнечного теплоснабжения классифицируются по следующим признакам:

по достигаемым тепловым режимам: высокотемпературные и низкотемпературные;

по назначению для отопления, горячего водоснабжения и холодоснабжения;

по времени эксплуатации: сезонные и круглогодичные;

по теплоносителю: воздушные и жидкостные;

по способу циркуляции теплоносителя: с естественным (гравитационным) и принудительным течением за счет действия вентилятора или насоса;

по способу передачи утилизированного тепла в системы отопления и горячего водоснабжения: одноконтурные (без промежуточного теплообменника) и многоконтурные.

по продолжительности аккумулирования энергии: краткосрочные и сезонные;

по физико-химическим процессам, происходящим в аккумуляторах, они подразделяются на: емкостные (использующие теплоемкость вещества без изменения агрегатного состояния), фазового перехода и основанные на поглощении или выделении теплоты при протекании обратимых химических и фотохимических реакций;

Эффективность активных систем значительно превышает пассивные, но

на ее показатели в совокупности влияют кпд отдельных элементов и устройств, однако определяющими являются рабочие параметры коллекторов.

Ниже рассматриваются различные системы утилизации, приводятся их методики расчета и подбора требуемого оборудования.

26

Глава 3. Способы обеспечения сооружений энергоемкой облученностью

Архитектура гелиоактивных зданий, оснащенных устройствами улавливания и преобразования солнечного излучения для тепло- и холодоснабжения, приготовления горячей воды или выработки других электроэнергии, предполагает оптимальное конструирование ограждений с учетом формы секций, выбор целесообразной ориентации фасадов, обеспечение достаточной инсоляции и требуемой естественной освещенности помещений, что в совокупности рассмотрения перечисленных вопросов делает необходимым применение научно обоснованных технических решений для климатических условий проектирования.

Специальные приемы кластерного конструирования сооружений при соблюдении дополнительных требований, вытекающих из свойств электромагнитного поля солнечного излучения (см. п. 1.2), должны обеспечивать энергосберегающую и экономичную эксплуатацию, а также снижение экологической напряженности районов интенсивной застройки. Регулирование энергооблученности объектов с помощью эффективных приемов и фактический уровень ее использования в нагрузках систем жизнеобеспечения могут варьироваться в широких пределах, как на стадии принятия проектных решений, так и при последующем строительстве и эксплуатации.

При проектировании гелиоактивных зданий соблюдать основные технические требования, а также использовать следующие приемы для повышения ресурсообеспеченности.

При выборе строительной площадки и последующей привязке координат сооружения должна соблюдаться его удаленность от других объектов, в том числе и от улавливающих устройств гелиосистем других инженерных сооружений или затеняющих рельефов местности.

Здание, потребляющее утилизированную солнечную радиацию, может быть автономным или привязанным к системе энергообеспечения гелиопоселка, расположенного на незатененной местности с возможностью при необходимости дополнительной установки отражателей, усиливающих солнечную облученность поглощающих поверхностей.

Выбор конкретной схемы нетрадиционного тепло- и холодоснабжения для здания зависит от требуемой степени энергозамещения, определяемой имеющимся дефицитом или технико-экономическим обоснованием. Принятое решение предопределяет тип используемых в дальнейшем гелиоустановок, сужая круг их модификаций и вызывая необходимость предварительной оценки требуемых площадей панелей. Поэтому в начале определяют ресурсы солнечной энергии, диапазон их сезонных изменений для зданий, отдельных его элементов или улавливающих устройств. Сопоставив имеющиеся ресурсы с потребностями и решив вопрос об энергоэффективной архитектурнопланировочной форме здания, приступают к компоновке и расположению

27

основных поглощающих элементов, варианты которых можно разделить по следующим категориям:

сооружения с автономными гелиосистемами, около которых или на которых установлены приемники солнечного излучения, и включающие устройства преобразования и аккумулирования энергии;

здания с гелиоактивными ограждениями, часть из которых имеет полифункциональное назначение, подразумевающее конструктивное объединение поглощающих панелей и аккумуляторов солнечной энергии;

сооружения повышенной энергоэффективности, достигаемой посредством принятия оптимальных архитектурно-планировочных решений, по фасадной ориентации, использованием как качественной тепловой изоляции для наружных ограждений, так и блоков полифункционального назначения, а также применением активных систем утилизации солнеч-

ного излучения.

Для полезного использования энергооблученности зданий с целью снижения нагрузок ан системы жизнеобеспечения применяют активные и пассивные гелиоустановки. Первые характеризуются наличием коллектора, аккумулятора, теплообменников, насосов или вентиляторов, трубопроводов или воздуховодов, средств автоматического контроля и регулирования. В пассивных системах роль поглощающих излучение панелей и аккумуляторов теплоты выполняют ограждающие конструкции здания, а возникающая естественная конвекция при воздействии солнечной радиации вызывает движение нагретого воздуха.

3.1.Пассивные солнечные системы отопления

Применение пассивных систем солнечного отопления экономически целесообразно в районах с достаточным ресурсом облученности в холодный период года, значительной продолжительностью солнечного сияния и стабильно умеренной температурой наружного воздуха в зимние месяцы.

При пассивной утилизации излучения происходит ее прямое улавливание и аккумулирование полученной теплоты стенами, полом и потолком, в том числе и поступающей через окна южной ориентации или на чердачное и бесчердачное покрытия Указанная ориентация ограждений с гелиоактивными блоками обеспечивает длительность ежедневной инсоляции, что необходимо в зимний сезон. При этом высокое летнее положение Солнца снижает тепловое воздействие, уменьшая нагрев помещений. Существенно сократить в теплый период года теплопоступления от солнечной радиации можно относительно простыми экранирующими средствами.

Необходимо отметить, что при определении положения и размера окон, наряду с оценкой внешнего вида, конструкций, применяемых материалов и достигаемого эффекта следует учитывать требования строительной физики по освещенности и тепловой защите помещений [80, 81].

28

Наибольшая степень пассивной утилизации солнечной радиации достигается при остеклении южной аккумулирующей стены, имеющей темную окраску и отверстия для циркуляции воздуха на уровне пола и потолка.

Для зданий, находящихся в благоприятных климатических зонах с достаточной ресурсной обеспеченностью данным видом возобновляемой энергией, часто применяют пассивные солнечные коллекторы, в которых подогревается рециркуляционный или приточный воздух. В этих случаях на южных фасадах зданий монтируются светопрозрачные теплоизоляционные панели с образованием воздушных прослоек у несущих строительных конструкций. Воздух, попадающий в прослойку, под воздействием солнечной радиации нагревается и направляется через каналы при необходимости в дополнительный теплоутилизатор вентиляционных выбросов, а затем в помещения (рис. 3.1) [107]. Как показал опыт эксплуатации таких систем утилизации в климатических условиях Дании, вклад солнечной радиации в тепловой баланс помещений может достигать 105 кВт·ч на 1 м2 конструкции стены [107]. Если температура приточного воздуха, поступающего из воздушной прослойки слишком высока, то его забор производится через приточную шахту, котороя может быть расположена на крыше или стене здания при скрытой схеме ее прокладки.

Рис. 3.1. Схема подогрева приточного воздуха при фасадной облицовке светопрозрачным теплоизоляционным материалом: 1

– светопрозрачный теплоизоляционный материал; 2 – воздушный клапан; 3 – утилизатор теплоты вентиляционных выбросов; 4 – датчик температуры

Обустройство такими фасадами сопровождается значительными капитальными вложениями и в последующем определенными трудностями, свя-

29

занными с дальнейшей эксплуатацией. Поэтому в качестве альтернативного решения для этой цели применяют так называемые «солнечные вентиляционные башни» [107], которые в виде шахт пристроены с внешней стороны наружных стен лестничных клеток. Поверхность шахт выполнена из перфорированных алюминиевых пластин с темно-зеленым покрытием. Применяемые окрасочный материал имеет высокий коэффициент поглощения солнечной радиации, что обеспечивает достаточный нагрев наружного воздуха, проходящего через шахту и направляемого в системы приточной вентиляции. В верхней части солнечных башен иногда устанавливают конструкции PVVENT, в которых PV-панели фотоэлектрических модулей обеспечивают

Следует так же отметить, что определенная доля солнечной радиации утилизируется при обустройстве зданий вентилируемыми окнами (рисунок 3.3). Такая конструкция светопрозрачных ограждений позволяет снизить потребление энергии системами обеспечения микроклимата в отопительный сезон и в летние месяцы. В отличие от традиционных стеклопакетов с замкнутой прослойкой, заполненной инертным газом, вентилируемые окна, состоящие из трехслойного стеклопакета в наружном переплете и одинарного остекления во внутреннем переплете, имеют в нижней и верхней частях щелевые отверстия. Через узкое входное отверстие в переплете внутренний воздух попадает в пространство между стеклами, где поглощает значительную часть тепла солнечной радиации. Вследствие этого, они выполняют функции солнечных коллекторов, позволяя утилизировать излучение для поддержания требуемых температурных режимов или аккумулирования.

30

Рис. 3.3. Схема воздухообмена в помещении с использованием вентилируемых окон и обустройстве каналов в строительных конструкциях: 1 – светопрозрачное вентилируемое ограждение; 2 – воздуховод; 3 –аккумулятор теплоты и холода; 4

– приточная установка; 5 - теплоутилизатор; 6 – перекрытие с сооруженными в нем каналами

При применении пассивных солнечных систем отопления здания должны иметь улучшенную тепловую изоляцию и удовлетворять современным требованиям энергоэффективности, поэтому для снижения теплопотерь в ночное время в конструкции светопрозрачных ограждений необходимо также предусматривать теплоизоляционные экранирующие устройства (щиты, жалюзи и т.п.).

Устанавливая традиционные стеклопакеты с энергетической проницаемостью, можно обеспечить лучшее проникновение в помещения солнечной радиации, а, увеличивая площадь остекления, можно получить не только пропорциональный подъем температуры внутреннего воздуха в световое время суток, но и рост теплопотерь при повышенной облачности и в ночное время суток холодного периода года. При проектировании следует также учитывать, что интенсивность нагрева помещений тем ниже, чем больше площади поверхностей воспринимающих тепло строительных аккумулирующих конструкций по отношению к светопрозрачным ограждениям.

Наряду с окнами и остекленными строительными конструкциями южного фасада, для улавливания солнечного излучения целесообразно устанавливать стеклопакеты специального назначения в кровле и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфортных условий в результате исключения прямого попадания излучения в рабочую зону. Кроме того, для регулирования поступлений солнечной радиации в помещения, что особенно требуется в теплый период года, возможно применение новых технологий, позволяющих получить электрохромное стекло.