4.3.1 Преобразование солнечной энергии в тепловую энергию

Солнечную энергию можно превратить в тепловую с помощью коллектора. Все солнечные коллекторы имеют поверхностный или объемный поглотитель тепла. Тепло может отводится из коллектора или аккумулироваться в нем. Коллекторы первого типа называют проточными, второго типа – с тепловым аккумулятором.

По виду теплоносителя коллекторы делятся на воздушные и жидкостные. Температура, до которой можно нагреть теплоноситель в коллекторе зависит от его конструкции и пропорциональна плотности потока солнечного излучения и обратно пропорционально потерям тепла в окружающую среду. Обычно для нагрева воды используют плоские коллекторы различной конструкции.

1 – корпус; 2 – лучепоглощающая панель; 3 – вход холодного теплоносителя; 4 – выход нагретого теплоносителя; 5 - слой теплоизоляции; 6 – защитное стекло

Основным элементом коллектора является лучепоглощающая панель, имеющая хороший контакт с рядом труб или каналов по которым движется теплоноситель. Для более эффективного поглощения солнечных лучей поверхность панели окрашивают в черный цвет или наносят специальное поглощающее покрытие. Лучепоглощающую панель изготавливают из стали, меди или алюминия. Корпус коллектора служит для размещения всех частей коллектора и защиты их от атмосферного воздействия. Он изготавливается из стали, алюминия, стеклопластика, пластмассы. Для снижения потерь в окружающую среду нижняя часть панели покрывается теплоизоляцией. Над панелью располагается стеклянное покрытие толщиной 3-4мм. Вместо стекла могут быть использованы прозрачные материалы из пластмассы.

Конструкции поглощающих панелей коллекторов

Переход от одинарного к двойному остекленению снизит тепловые потери, но при этом уменьшит плотность лучистого потока, падающего на панель. Поглощающая панель должна быть коррозийно-стойкой, обладать хорошим контактом между каналами и листом. Теплопроизводительность коллектора определяется как разность поглощенного солнечного излучения и потерь тепла в окр. среду.

В коллекторе при отсутствие циркуляции теплоносителя температура внутри коллектора может превысить 100С. Если в коллекторе циркулирует вода, то в зависимости от скорости циркуляции и интенсивности солнечного излучения, ее температура составляет 40-80гр. Плоские стационарные коллекторы устанавливают на крыше здания под углом, примерно равным широте данной местности, ориентируя их на юг. При таком угле наклона лучи солнца подают почти вертикально к поверхности коллектора. Коллекторы можно включить в систему теплоснабжения зданий.

Поток солнечной энергии меняется в течении суток от нуля в ночное время, до максимального значения в полдень. Он также зависит от времени года. Чтобы иметь тепло в нужном количестве в данный момент времени, необходимо часть солнечной энергии накапливать в тепловом аккумуляторе.

Тепловые аккумуляторы можно разделить на:

1) аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого материала без изменения его агрегатного состояния;

2) аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления веществ

3) аккумуляторы энергии основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических реакциях.

В настоящее время в мире эксплуатируются более 5млн солнечных водонагревательных установок. Они используются как в индивидуальных жилых домах так и в централизованных системах горячего водоснабжения жилых и общественных зданий. В районах, где солнце светит более 1800часов в год солнечную энергию можно использовать для теплоснабжения зданий.

По принципу действия солнечные водонагревательные установки можно разделить на кстановки с естественной и принудительной циркуляцией теплоносителя.

Схема установки с естественной циркуляцией

1 – солнечный коллектор; 2 – опускная труба; 3 – подъемная труба; 4 – подвод холодной воды; 5 – отвод нагретой воды; 6 – бак-аккумулятор; 7 – слой теплоизоляции

Установки с естественной циркуляцией работают без насоса и не потребляют электроэнергию. В установках с естественной циркуляцией имеет место разность плотностей теплоносителей в подъемных и опускных трубах. Таким образом, в контуре возникает разность давлений, которая вызывает движение воды (Δp=gH(ρ₁ – ρ₂)). Условие эффективной работы такой установки является тепловая изоляция всех нагретых поверхностей. Это прежде всего бак-аккумулятор, подъемные и опускные трубы. При холодном климате в солнечном коллекторе необходимо использовать незамерзающий теплоноситель.

Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя обычно используют для горячего водоснабжения крупных объектов. Они включают в себя большое количества солнечных коллекторов, имеют большую теплопроизводительность, но имеют более сложную конструкцию. В таких установках необходимы насосы.

Солнечные водонагреватели можно использовать в качестве первой ступени для предварительного подогрева воды в обычных системах горячего водоснабжения. В качестве дополнительного источника энергии можно использовать электронагреватель или топливный котел.

Различают активные и пассивные системы солнечного теплоснабжения зданий.

Пассивные системы являются частью самого здания. Оно должно проектироваться таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать солнечную энергию для отопления. Прямое улавливание солнечной энергии наиболее полно может осуществлять при соблюдении следующих условий:

1)оптимальная ориентация дома – вдоль оси восток-запад или с отклонением до 30гр от этой оси;

2) на южной стороне располагается 50-70% всех окон а на северной не более 10%, причем южные окна должны иметь двухслойной остекление, а северные трехслойное;

3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери;

4) внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположения жилых комнат с южной стороны, а вспомогательных помещений – с северной;

5) должны быть с достаточная теплоаккумулирующая способность внутренних стен и пола;

6) в летний период для предотвращения перегрева помещений над окнами должны быть предусмотрены козырьки.

Если строить здание с накопительной стеной с солнечной стороны, то можно получить больший и лучше контролируемый приход тепла.

Пассивная система отопления зданий может быть с прямым улавливанием солнечного излучения и с непрямым улавливанием, т.е. с теплоаккумулирующей стенкой, расположенной за стенкой фасада.

Аккумулятором служит массивная бетонная или кирпичная стена, обращенная к югу и окрашена в черный цвет. Параллельно этой стене на небольшом расстоянии от нее расположена стеклянная стенка. Аккумулирующая стенка нагревается потоком солнечного излучения. Воздух, находящийся между стенкой и остекленением нагревается и направляется через каналы в верхней части этой стенки в помещение. Более холодный воздух опускается вниз и через каналы в нижней части стенки поступает в промежуток между стенкой и остекленением и снова нагревается.

Активная система солнечного отопления включает в себя солнечные коллекторы, аккумулятор теплоты, дополнительный источники энергии, теплообменники для передачи теплоты из коллекторов в аккумулятор, а затем потребителям, насосы и вентиляторы, трубопроводы с арматурой и устройства для автоматического управления работой системы. Солнечные коллекторы устанавливаются на крыше здания, а остальное оборудование размещается в подвале.

Активные и пассивные системы солнечного отопления имеют свои преимущества и недостатки. Активные системы легко интегрируются со зданием, обладают возможностью автоматического управления и снижения тепловых потерь. Но при эксплуатации активных систем солнечного отопления возникают проблемы связанные с недостаточно надежной работой оборудования. Пассивные системы просты, надежны в работе и недороги. Но они также имеют недостатки, прежде всего связанные с поддержанием необходимого температурного режима в помещениях. Использование гибридных систем дает возможность объединить достоинства активных и пассивных систем и повысить их эффективность.

Солнечное излучение также можно использовать для работы абсорбционных холодильных установках. Также существуют выпарные установки, в которых солнечная энергия используется для получения пресной воды.