1.5 Целесообразность применения солнечных элементов в России

Плотность солнечного излучения в средней полосе России выше, чем в ряде европейских стран, например Германии, где уже давно занялись проблемой освоения солнечной энергии. Россия имеет огромную площадь и не всегда есть возможность подвести электричество к отдельным объектам. Поэтому всё больше растёт интерес к использованию автономных электростанций и источников аварийного бесперебойного энергоснабжения с подпиткой от солнечной энергии. Заинтересованность в использовании солнечных электростанций всё больше увеличивается, учитывая постоянное снижение цен на солнечные элементы, производство некоторых из которых уже начато на территории России. Постоянно снижающаяся стоимость оборудования, экологичность и низкие эксплуатационные расходы делают автономные солнечные электростанции оптимальным выбором для отдельных объектов на территории России. [8]

Целесообразно использование сезонных солнечных водонагревателей, работающих в период с марта по сентябрь. Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему бака-аккумулятора 2 м² на 100 л вероятность ежедневного нагрева воды в этот период до температуры не менее чем 37 ^оС составляет 50-90%, до температуры не менее чем 45 ^оС 30-70%, до температуры не менее чем 55 ^оС 20-60%. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.

2. Виды солнечных коллекторов

2.1 Принцип действия солнечного элемента

Системы активного солнечного теплоснабжения бывают двух видов: с жидкостным и воздушным теплоносителем. Системы с жидкостным теплоносителем греют воду или антифриз в “жидкостном” коллекторе, а в системах с воздушным теплоносителем в коллекторе греется воздух.[3]

Как первая, так и вторая система улавливают и поглощают солнечное излучение и передают солнечное тепло либо внутрь помещения, либо в накопительную систему, из которой осуществляется распределение тепла по помещению. Если система солнечного нагрева не обеспечивает помещение необходимым количеством тепла, вдобавок к ней используются дополнительные системы обогрева. Коллектор на жидком теплоносителе более предпочтителен тогда, когда тепло перед подачей какое-то время аккумулируется в накопителе. Кроме того, этот вариант солнечного отопления хорошо подходит для систем лучистого отопления, бойлеров и радиаторов водяного отопления, а также для абсорбционных тепловых насосов и охладителей. Как жидкостная, так и воздушная системы могут дополнять принудительные системы отопления и охлаждения.

2.2 Вакуумный коллектор

Эксплуатация вакуумных коллекторов основывается на принципе минимизации тепловых потерь за счет создания вакуумного пространства между поглотителем и стеклянным покрытием. Используя также и селективное покрытие поглотителя, сокращающее потери теплового излучения, коэффициент тепловых потерь можно снизить до 1,5 Вт/(м²К). Различают вакуумно-трубчатые и вакуумные плоские коллекторы. В вакуумнотрубчатых коллекторах поглотитель встроен в вакуумную стеклянную трубку. В коллекторном модуле друг около друга расположено от 6 до 30 вакуумных труб (диаметр 6,5-10см). В изолированной коробке стеклянные трубки подключаются к солнечной циркуляции.[4]

Рис.1.3 Вакуумно-трубчатый коллектор в разрезе.

Перенос тепла в трубах осуществляется либо посредством протекания теплоносителя через поглотитель. В первом случае жидкость-теплоноситель протекает через теплоносители каждой отдельной вакуумной трубки. В модели коллектора, изображенной на рис.1.3, используется коаксиальная двойная трубка, в которой теплоноситель втекает в поглотитель по внутренней, а вытекает по внешней трубке.

Рис 1.4 Вакуумная трубка коллектора с коаксиальной двойной трубкой с теплоносителем

Специальное резьбовое соединение позволяет поворачивать вакуумные трубки вместе с поглотителем вокруг своей оси. Тем самым поверхность поглотителя удается установить таким образом, чтобы она откланялась от инсталляционной плоскости коллектора. Это является преимуществом в том случае, если установка инсталляционной плоскости коллектора непосредственно в сторону солнца невозможна. В вакуумной трубке с тепловой трубой полоска поглотителя имеет одну трубку, закрытую на обоих концах (рис.1.4). Ее внутренняя стенка покрыта тонкой пленкой воды либо алкоголя, которая испаряется при нагреве поглотителя. Нагретый пар поднимается к верхнему окончанию тепловой трубки (конденсатор), охлажденному солнечной циркуляцией. Это приводит к конденсации пара и передачи тепла теплоносителю солнечной циркуляции. Конденсат вновь проходит через тепловую трубку и образует тем самым жидкостную пленку на ее внутренней стороне. Поэтому минимальный угол наклона коллектора должен составлять 15-20 °С, в то время как вакуумно-трубчатый коллектор можно устанавливать и горизонтально. Процесс передачи энергии при испарении и конденсации продолжается так долго, пока солнечное тепло попадает с поглотителя в тепловую трубку и поглощается более холодным потоком теплоносителя солнечной циркуляции.

Рис. 1.5 Вакуумная трубка коллектора с сухим соединением.

На рис. 1.5 показано соединение конденсатора и цепи солнечной циркуляции «сухим способом» с помощью блока теплопередачи. Существует другой способ соединения, при котором конденсатор непосредственно погружают в теплоноситель. Преимущества «сухого соединения» заключаются в том, что нет необходимости в гидроизоляции между тепловой трубой и цепью солнечной циркуляции, а также возможна замена каждой отдельной трубки в рабочем режиме коллектора. Форма стеклянных труб обеспечивает сопротивление силам, возникающим в вакуумном пространстве внутри них. Высокой производительности вакуумных коллекторов противопоставляется их высокая стоимость.

Уменьшение зависимости теплоотдачи коллектора от высоты солнца напрямую связано с зеркальным эффектом, благодаря которому происходит данный процесс. Это способствует выравниванию тепловой мощности коллектора, как в течение дня, так и в течение всего года, что является существенным преимуществом такого типа коллекторов.

Рисунок 1.6 Зеркальный эффект.

Преимущества вакуумного солнечного коллектора: Благодаря высокой теплоизоляции вакуумные солнечные коллекторы эффективно работают при низких температурах окружающей среды. Преимущество вакуумных коллекторов перед плоскими начинает проявляться при температуре воздуха ниже 5. При отрицательных температурах воздуха вакуумным коллекторам альтернативы нет.

Солнечные тепловые установки на основе вакуумных коллекторов могут применяться как для целей горячего водоснабжения, так и для отопления дома. При этом в летнее время можно полностью получать горячую воду от солнечного нагревателя. В остальное время года за счет энергии солнца можно получать до 60% горячей воды. Солнечная отопительная установка на основе вакуумных солнечных коллекторов может с успехом справляться с задачей поддержания минимальной заданной температуры дома весной и осенью. В зимнее время также можно рассчитывать на некоторую добавку тепловой энергии для отопления. Но она будет незначительна в декабре и январе. Поэтому обычно солнечную отопительную систему рассчитывают на работу в весенне-осенний период, а зимой она будет помогать основной системе теплового насоса.

Недостатки: Вакуумные солнечные коллекторы являются высокотехнологичным и интересным в техническом отношении видом данной продукции. К сожалению, климатические условия нашей страны не всегда в полной мере позволяют реализовать их потенциал. Это касается негативного влияния снега и инея. Здесь следует иметь в виду, что вследствие отличных теплоизоляционных свойств вакуума, как снег так и иней могут держаться на коллекторах очень долго, длительное время после того как крыша здания полностью очистилась.