5. Нагревание воды солнечным излучением

Наиболее очевидная область использования солнечной энергии– подогрев воды и воздуха. Энергия Солнца используется в нагревателях воды, воздуха, солнечных дистилляторах, зерносушилках и т.д. Основным элементом солнечной нагревательной системы является приёмник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости. Плоские приёмники собирают как прямое, так и диффузное излучение и могут работать в облачную погоду. Плоские приёмники являются предпочтительными при нагревании жидкостей до температур ниже 100⁰С. Простые приёмники (рис. 5.1,а-д) содержат весь объём жидкости, которую необходимо нагреть. Приёмники более сложной конструкции (рис.5.1. е-и) нагревают за определённое время только небольшое количество жидкости, которая затем накапливается в отдельном резервуаре, что позволяет снижать температуру системы в целом

Рис. 5.1. Последовательность приёмников солнечного излучения в порядке возрастания эффективности и стоимости:

а – открытый резервуар на поверхности Земли. Тепло легко уходит в Землю.

б – открытый резервуар, изолированный от Земли. Чистая вода не является хорошим поглотителем, потери тепла происходят вследствие испарения.

в – чёрный резервуар. Используется в Японии для подогрева воды к вечерним ваннам;

характеризуется большими потерями тепла, особенно в ветреную погоду, и невозможностью накопления нагретой воды на ночь;

г - чёрный резервуар с изолированным от Земли дном. Потери тепла происходят через верхнюю крышку, поэтому теплопотери всего в 2 раза ниже, чем в предыдущем случае;

д - чёрный резервуар в контейнере со стеклянной крышкой. Использование полиэтиленовых крышек дешевле, но они быстро разрушаются на Солнце;

е - металлическая пластина с трубками и заполненная водой плоская ёмкость. Стандартный промышленный приёмник; нагреваемая жидкость протекает сквозь приёмник и накапливается в специальном резервуаре. Заполненная водой пластина более эффективна, чем пластина с трубками;

ж - пластинчатый приёмник с двойным стеклянным покрытием. Жидкость может глбыть нагрета до 100⁰С; стекло, не содержащее железо, меньше поглощает, чем оконное стекло;

з - селективная поверхность, α>ε, радиационные потери ниже;

и - вакуумированный приёмник. Жидкость в чёрной внутренней трубке, стеклянная наружная трубка. Нет конвективных потерь через наружную поверхность.

5.1. Расчёт теплового баланса

Поток лучистой энергии, поглощаемой поверхностью приёмника, составляет:

τ_пр*α_пг*А₀*G, (5.1.)

где А₀- площадь освещённой поверхности;

α_пг- коэффициент поглощения приёмной поверхности;

τ_пр- коэффициент пропускания прозрачного покрытия, защищающего приёмную поверхность от ветра (рис.5.1д).

G- плотность потока солнечного излучения, Вт/м².

В то же время возникает поток от приёмника. Скорость теплоотдачи равна:

Q= (Т₂-Тс₁)/R_т= ∆Т/R_т, (5.1.а)

где R_т- термическое сопротивление;

Т₂- температура приёмника;

Т₁- температура среды.

Суммарный поток тепла Р_∑:

Р_∑= τ_п*α_п*А_п*G– [(T_п– Т_с)/R_т] =ή_зи*A_п*G, (5.2.)

где – ή_зи- коэффициент захвата излучения (ή_зи- <1).

Коэффициент теплопередачи h_копределяет долю суммарного потока Р_б, передаваемую жидкости. Поток тепла от приёмника к теплоносителю при нагревании массы жидкости (m), Вт,

Р_т=m*c*dT_ж/dt(5.2а)

где Т_ж- температура жидкости,^оС;

с – удельная теплоёмкость жидкости, Дж/(кг К).

При нагревании проточной жидкости массой m′,

Р_т=m′*с*(Т₂– Т₁), (5.2б)

где Т₁- температура входящей в приёмник жидкости, Т₂– выходящей.