solncemetod

колекторах зазвичай використовується матове скло з низьким вмістом заліза, яке пропускає значну частину сонячного світла, що надходить на колектор. Дно і бічні стінки колектора покривають теплоізоляційним матеріалом, що також знижує теплові втрати. Розрізняють рідинні і повітряні плоскі колектори. Коефіцієнт корисної дії високопродуктивних плоских сонячних колекторів досягає 65%.

Рис. 4 – Будова плоского сонячного колектора

Однією з можливих схем реалізації системи сонячного теплопостачання на основі сонячних колекторів є інтегрований колектор ("ємнісний" або "термосифонний колектор"), який поєднує колектор з теплоакумулюючим баком, в якому нагрівається і зберігається невелика порція води (рис. 5). Такі колектори можуть використовуватися самостійно, або для попереднього нагрівання води, яка потім нагрівається до потрібної температури в традиційних установках, наприклад, в газових колонках. Термосифонний колектор представляє систему з природною циркуляцією теплоносія і не включає елементи з рухомими частинами (насоси), що дає змогу мінімізувати потребу у техобслуговуванні і експлуатаційні витрати [3].

11

Трубчасті вакуумні колектори відрізняються використанням вакууму для теплоізоляції абсорбера, що дає змогу досягти більш високої температури теплоносія. Основним компонентом вакуумного колектора є скляна трубка, що знаходиться всередині іншої скляної трубки, простір між якими ізольовано вакуумом – тиск може досягати 0,1 Па і підтримуватися більше 100 років. У більшості випадків, зовнішній діаметр трубки складає 2-5 см, а внутрішній 1-2 см, селективне покриття нанесено на зовнішню поверхню внутрішньої трубки. Вакуумні колектори складаються з декількох рядів паралельних скляних трубок та можуть бути модульними, що дає змогу змінювати кількість елементів у відповідності до реальної потреби (рис. 7).

Сонячна радіація проходить крізь зовнішню скляну трубку, потрапляє на трубку-поглинач, де перетворюється в теплоту, яка передається теплоносію, що протікає по трубці. Нагріта рідина циркулює через теплообмінник і віддає теплоту воді, що міститься в баку-накопичувачі. Вакуум в скляній трубці забезпечує високу якість теплоізоляції абсорбера, що знижує втрати теплоти. Зовнішня скляна трубка також захищає поглинач і тепловідвідну трубку від несприятливих зовнішніх впливів. Така конструкція дає змогу досягти робочих характеристик, що перевершують будь-який інший вид сонячного колектора. Температура нагрівання в таких колекторах може перевищувати 200 °С [5].

Рис. 7 – Трубчатий вакуумний колектор

13

Фокусуючі колектори. Фокусуючі колектори (концентратори (рис. 8)) використовують дзеркальні поверхні для концентрації сонячної енергії на поглиначі, завдяки чому досягається значно вища густина потоку випромінювання. В залежності від конструкції відбивача, сонячне випромінювання може концентруватися у фокусній точці, або вздовж тонкої фокальній лінії. Концентроване сонячне випромінювання падає на поглинач (теплоприймач), де відбувається його перетворення в теплову енергію та її подальша передача теплоносію, який циркулює через теплоприймач. Температура, яка може досягатися у колекторах такого типу значно вища, ніж у плоских колекторах, однак вони можуть концентрувати тільки пряме сонячне випромінювання, що призводить до погіршення показників в туманну або хмарну погоду. Такі колектори-концентратори найбільш широко використовують в регіонах з високою інсоляцією – розташованих близько до екватора і в пустельних районах.

Рис. 8 – Типи концентраторів

Співвідношення між виробленням теплоти від геліоколекторних установок і потребою в енергії.

Геліоколекторні установки для гарячого водопостачання (ГВП).

Використання сонячної енергії для прямого нагрівання води характеризується високою ефективністю: у той час, як масові фотоелектричні системи мають ефективність близько 15%, сонячні теплові системи досягають ККД 50–90%. Потреба в тепловій енергії для гарячого водопостачання у літню пору року може майже повністю забезпечуватися

14

геліоустановкою. Співвідношення між виробленням енергії геліоколекторною установкою і річною потребою в тепловій енергії для ГВП показано на рисунку 9. Як видно з рис. 9, при проектуванні систем цілорічного гарячого водопостачання, необхідно передбачити можливість покриття потреби у тепловій енергії за рахунок традиційних джерел у зимовий період та на випадок тривалих періодів погіршення погодних умов.

Рис. 9 – Співвідношення між виробітком енергії геліоколекторною установкою та річною потребою в тепловій енергії для ГВП

Геліоколекторні установки для ГВП та системи опалення.

Геліоколекторні установки також застосовуються у комплексних системах гарячого водопостачання та сонячного опалення. У той же час, слід враховувати, що робота геліоустановки можлива лише за умови, що температура теплоносія у геліоколекторі перевищує температуру у зворотному трубопроводі системи опалення. Тому їх застосування є найбільш виправданим для опалювальних приладів з великою площею нагріву і низькими температурами в системі або для систем підлогового опалення, а також у комплексі з установками підвищення потенціалу низькопотенційних джерел енергії, зокрема, на основі теплових насосів. За умови правильного проектування та монтажу, геліосистема покриває до 30% сумарної річної потреби в енергії для гарячого водопостачання та опалення.

15

Співвідношення між виробленням енергії геліоколекторною установкою і річною потребою в тепловій енергії для ГВП та опалення показано на рисунку 10.

Рис. 10 – Співвідношення між виробітком енергії геліоколекторною установкою та річною потребою в тепловій енергії для ГВП та опалення

"a" – потреба в енергії (реальне споживання); "b" – вироблення енергії геліоустановкою; "M" – місяць;

"Q" – теплова енергія;

– надлишок сонячної енергії;

– використовувана сонячна енергія (покриття потреби в енергії за рахунок Сонця); – потреба в енергії (використання додаткового нагрівання).

*Дані являють собою орієнтовні значення і наведені для визначених умов:

–Орієнтація фасадів на південь

–Кут нахилу геліоколекторів від 35° до 45° [6].

16

Методика розрахунку характеристик плоского сонячного колектора

1.Ескіз сонячного колектора з розмірами виконується у форматі А4 і розташовується у додатку пояснювальної записки.

2.Розрахунок зовнішніх умов експлуатації сонячного колектора: Середньодобова сонячна радіація:

H (n) = A + B COS 2π (n − 173) , МДж/(м2.доб),365

де A = 19,25 − 0,135 ϕ , МДж/(м2.доб),

B= 0,82 + 0,155 ϕ , МДж/(м2.доб),

ϕ− географічна широта місцевості;

n − порядковий день року.

Тут аргумент функції косинуса обчислюється у радіанах. Схилення Сонця:

Тут аргумент функції синуса обчислюється в градусах. Тривалість дня (або фотоперіод):

N = 2 ARCCOS(− tg (ϕ ) tg (δ )), год

15

Максимальна густина потоку сонячної радіації (інтегральний потік випромінювання, що переноситься через одиницю поверхні) на горизонтальну поверхню:

Час сходу Сонця:

t = 12,27 − 0,52N , год.

сх

Тривалість періоду, що обчислюється з часу після сходу Сонця:

t′ = t − t , год., (t = 8...12)

сх

Густина потоку сонячної радіації на горизонтальну поверхню за годину:

17

Температура навколишнього середовища:

Ta = A + 5B , оС tgϕ

де при п = 0...166 А = (0, 033п)2 − 0, 0221п − 9,92;

при п = 167...225 А = 2, 723п − (0, 0826 п)2 − 246, 4;

при п = 226...365 А = (0, 0255п)2 − 0, 626п + 131, 6;

Тут аргумент функції синуса обчислюється у радіанах.

3. Обчислюємо коефіцієнт відведення тепла від сонячного колектора: Температура поглинальної пластини попередньо:

де TT 1 − температура теплоносія на вході до колектора,°С.

Коефіцієнт конвективної тепловіддачі від поверхні зовнішнього скла до навколишнього середовища визначається:

αс− н = 5,7 + 3,8υ , Вт/(м2.К)

де υ − швидкість вітру, можна прийняти υ = 5 м/с.

Коефіцієнт теплопередачі для втрат тепла через верхню поверхню сонячного колектора, Вт/ (м2.К):

Вт/(м2.К)

де z − кількість прозорих покриттів;

f − функція, яка визначається наступним чином

18

Коефіцієнт теплопередачі для втрат тепла через верхню поверхню сонячного колектора з урахуванням його нахилу

нижньої поверхні.

Коефіцієнт теплопередачі через бокову поверхню сонячного колектора

бокової поверхні сонячного колектора.

Повний коефіцієнт теплопередачі через стінки сонячного колектора

kсум = kнсвп,β + kнснп + kнсбп , Вт/(м2.К)

4. Знаходимо коефіцієнт ефективності сонячного колектора: Співвідношення коефіцієнта теплопередачі до теплопровідності ребра (поглинальної пластини)

де λp − теплопровідність ребра;

δ p − товщина ребра.

Ефективність ребра

F = th[m(s − d )/ 2] , m(s − d )/ 2

19

де s − крок розміщення труб, м; d − зовнішній діаметр труби, м.

Ефективність колектора

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до рідини визначається з критеріальних рівнянь вигляду для ламінарною режиму течії рідини при Rе > 10.

де Nu = α p1di − число Нусельта;

λ p

l − довжина трубки, м;

RE = udi nтруб − число Рейнольдса;

ν

G

u = − швидкість руху рідини, м/с;

ρ πdi2

4

nтруб − кількість труб в колекторі;

ν− кінематична в’язкість води за даних умов;

ρ− густина води за даних умов;

PR − число Прандтля.

Для турбулентного режиму течії рідини при Rе > 1·104

20