Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Теоретичні відомості. Сонячна теплоенергетика – це напрямок сонячної енергетики, що займається перетворенням енергії сонячного випромінення на теплову енергію для потреб опалення
|
|
Сонячна теплоенергетика – це напрямок сонячної енергетики, що займається перетворенням енергії сонячного випромінення на теплову енергію для потреб опалення, гарячого водопостачання, забезпечення різних технологічних потреб у теплі.
| Рис. 3.1. Геліосистема для гарячого водопостачання з теплообмінником, обладнаним одним спіральним змійовиком та ТЕНом. 1. Сонячні колектори 2. Блок управління 3. Циркуляційний насос з допоміжним обладнанням 4. Теплообмінник 5.ТЕН |
На рисунку 3.1 показано типову схему геліосистеми для підігріву гарячої води у системі гарячого водопостачання (ГВП) приватного будинку. Це геліосистема непрямої дії, у якій сонячна енергія, отримана на сонячному колекторі (СК)(1) нагріває робочу речовину в первинному контурі і, яка в свою чергу через теплообмінник у баці акумуляторі (4) підігріває воду у його вторинному контурі – контурі гарячого водопостачання. Циркуляція рідини у первинному контурі відбувається за рахунок насосної групи (3), що управляється мікроконтролером (2). В якості додаткового джерела тепла використовується теплоелектронагрівач (ТЕН).
Основні елементи системи
Бак-акумулятор. У різних джерелах цей пристрій може називатись також як бойлер, тепловий акумулятор, тепловий накопичувач і т. ін. Основною його функцією є накопичення теплової енергії, оптимізація роботи теплової системи з огляду на різну інтенсивність енергетичних потоків у часі, зменшення теплових втрат та створення більш комфортних умов для користувачів.
У геліоустановках може бути використаний будь-який типовий бойлер з одним або більше теплообмінників. Кількість теплообмінників залежить від кількості джерел теплопостачання. Якщо колектори під’єднуються до того ж бойлера, що й котел, то необхідно використовувати бойлер з двома теплообмінниками.
Аварійний клапан тиску. Забезпечити захист при аварійному перевищенні тиску у разі перегрівання рідини повинен аварійний клапан, розміщеній у блоці циркуляційного насосу. Для типової геліоустановки з поверхнею 6 м2 передбачається ємність системи – 25 літрів теплоносія, а ємність розширювального бака – 18 літрів. При цьому система розрахована на тиск порядку 2 атм, а аварійний клапан налаштований на 6 атм.
Насосна група. До насосної групи входять пристрої для примусової циркуляції робочої рідини у первинному контурі геліосистеми. Зазвичай насосна група розташовується на єдиній панелі у компактному корпусі, що полегшує монтаж і обслуговування геліоустановки. До складу комплекту входять: циркуляційний насос, розширювальний бак, запірна арматура для зливу та заливання робочої рідини, крани для відсічки або регулювання геліоконтуру, зворотний клапан, запобіжний клапан на 6 атм, манометр, повітревідвідник, ротаметр.
Розширювальний бак. Розширювальні баки із гумовою мембраною призначені для компенсації температурних розширень теплоносія в системах опалення та кондиціювання закритого типу. Принцип дії мембранного бака наступний: при підвищенні температури у первинній чи вторинній системі циркуляції геліоустановки, утворений за рахунок теплового розширення надлишок рідини чи пари потрапляє в верхню порожнину бака під мембрану і «стискає» газ у повітряній камері. При охолодженні системи, газ внаслідок надлишкового тиску «вичавлює» теплоносій назад у систему.
Цифрові регулятори. Контролер (цифровий регулятор/пристрій управління/блок управління) призначається для управління геліосистемою. Основним завданням цифрового контролера є організація ефективної та безаварійної передачі енергії сонячного випромінення системі теплозабезпечення. В залежності від типу та складності контролера, може здійснюватися управляння й іншими теплотехнічними процесами в системі опалення та ГВП (тепловим насосом, електричним ТЕНом, газовим або твердопаливним котлами).
В залежності від значення температури сонячного колектору і баку-акумулятора, що надходить від датчиків, контролер вибирає необхідний режим роботи. Для надійної та ефективної роботи геліосистеми під управлінням контролера необхідно правильно вибрати алгоритм та схему роботи геліосистеми, що закладені у пам’ять контролера. В залежності від модифікації контролера, є можливість вибору від 4 до 30 різних схем облаштування геліосистеми.
Сонячні колектори це спеціальні теплообмінники, на яких енергія сонячного випромінювання перетворюється в теплову енергію. Теплоносієм для передачі енергії від сонячного колектору або сонячної батареї зібраної з групи колекторів може слугувати незамерзаюча рідина, наприклад розчин гліколю, вода або, рідше, повітря.
Залежно від робочої температури колектори можна поділити на три групи:
- низькотемпературні: температура теплоносія до 100 °C. Зазвичай, це звичайні плоскі колектори;
- середньотемпературні: температура теплоносія 30-165 °C. Це вакуумні колектори з трубкою heat-pipe;
- високотемпературні: температура теплоносія 20-300 °C. Вакуумні колектори з рефлекторами та концентраторами.
В залежності від форми абсорбуючої поверхні колектори бувають плоскі, трубчасті, та трубчасті з концентруючими дзеркалами.
У всесезонних системах у якості робочої рідини частіше всього використовується незамерзаюча рідина – гліколь. У сезонних системах може використовуватись звичайна вода. У повітряних геліосистемах, відповідно – повітря. В залежності від робочих температур, технічних завдань, цінової політики виробника тощо сонячні колектори можуть мати різну конструкцію та виконуватись з різних матеріалів.
Основним елементом типового плоского колектора є поглинальна пластина, або абсорбер, на якій і проходить термічна конверсія сонячного випромінювання. На рис. 3.5 представлено схему плоского колектору. Через мідні труби, закріплені на абсорбуючій пластині проходить теплоносій, що відбирає надлишкову теплову енергію і виносить до споживача 
або до накопичувача.
Конструкція плоских сонячних колекторів використовує пряме або розсіяне сонячне випромінювання і не передбачає його концентрації. Вони характеризуються простою конструкцією та низькою ціною.
Трубчастий вакуумний колектор складається з трьох основних елементів, змонтованих на спільній рамі (рис. 3.5.):
- вакуумні труби,
- колектор, що відводить тепло від трубок, і зворотна труба;
- 
теплообмінник, що збирає та передає теплову енергію.
Існує декілька конструкцій вакуумних труб: Heat Pipe, Super Heat Pipe, з U – подібною трубкою, direct flow та їх модифікації.
Конструкції трубки вакуумного колектору Heat Pipe складаєтьс з двох концентричних скляних труб (труба в трубі). Вакуум між ними є ідеальною ізоляцією. Внутрішня труба вкрита шаром, що має високу здатність поглинати сонячну енергію (напр. Al./N/Al). У вакуумних трубках Super Heat Pipe додатково позаду кожної труби знаходиться дзеркало з високою здатністю до відбивання світла, стійке до несприятливих погодних умов. Така конструкція гарантує поглинання сонячного випромінювання, падаючого навіть під гострим кутом, концентруючи додатково сонячні промені на поглинаючих елементах, що знаходяться у вакуумних трубах (рис. 3.6).
Оскільки температура на колекторі залежить від інтенсивності сонячного випромінення, то на ефективність колекторів найбільший вплив має ступінь абсорбції сонячних променів та теплові втрати.
Питому потужність, що отримується з одиниці діючої поверхні СК, можна розрахувати:
(3.1)
У середньому СК мають питому потужність від 500 до 800 Вт/м2. Звідси загальна потужність колектору є добутком питомої потужності колектора та його діючої поверхні.
(3.2)
Рис. 3.7. Розріз U-подібної трубки колектора
|
Рис. 3.8. Гідравлічна схема колектора
|
Показником ефективності сонячних колекторів є його коефіцієнт корисної дії (ККД), який дорівнює відношенню теплопродуктивності колектора до кількості сонячної енергії, яка поступила на колектор за одиницю часу:
, (3.3)
де Qк – теплопродуктивність колектора, Вт;
G – інтенсивність сонячного випромінення, Вт/м2;
А – площа поверхні абсорбера колектора, м2.
hо – оптичний ККД або коефіцієнт пропускання світла;
G – інтенсивність сонячного випромінювання, Вт/м2.
DТ - різниця між температурою абсорбуючої поверхні колектору та температурою навколишнього середовища, оС.
k1 – лінійний коефіцієнт теплоізоляції, Вт / м2× К
k2 – нелінійний коефіцієнт теплоізоляції, Вт / м2× К
Теплова потужність сонячного колектора визначається за формулою:
(3.4)
де m – масова витрата теплоносія в колекторі, кг/с;
Ср – питома теплоємність теплоносія (гліколь), Дж/(кг∙ º С);
Питома теплоємність гліколю при 20 º С = 2, 483 Дж/г·К
Т1 і Т2 - температура теплоносія на вході в колектор і на виході з нього, º С.
На рисунку 3.9. представлені залежності ККД різних типів колекторів від різниці температур оточуючого середовища та колектора.
При проектуванні геліоустановок ГВП вихідними даними є: добова потреба в гарячій воді заданої температури і погодинний графік її споживання на протязі доби, данні про інтенсивність сонячної радіації, термін окупності геліоустановки, вид додаткового джерела теплопостачання, наявність площ для розташування СК (плоска покрівля/похилий дах або можливість розміщення навісу з сонячними колекторами, хімічний склад води, розрахункові вітрові навантаження та ін.