Тепловые гелиоустановки

Наиболее простым способом использования солнечной энергии для бытовых и промышленных нужд является её преобразование в тепловую энергию. Тепловая гелиоустановка включает в себя: приемник, в котором происходит поглощение и преобразование солнечного излучения в тепловую энергию; передающее устройство с теплоносителем; теплоаккумулятор и другие элементы. В качестве приёмника используют коллекторы различных типов и конструкций. Рассмотрим некоторые из них.

Плоский гелиоколлектор - это наиболее дешёвый вид приёмника солнечного излучения, позволяющий собирать как прямое, так и рассеянное излучение, и в силу этого способен работать даже в облачную погоду (рис. 3.2).

Рис 3.1. преобразование солнечной энергии.

В основе функционирования плоского коллектора лежит парниковый эффект, суть которого заключается в следующем. Солнечное излучение попадает в теплоизолированный ящик 1 через прозрачное для сол-

нечного излучения покрытие 2 и нагревает поглотитель 3 с циркулирующим внутри его теплоносителем. Нагретый поглотитель, имеющий большую площадь, должен также отдавать энергию в виде инфракрасного излучения обратно через стекло. Однако этого не происходит благодаря тому, что прозрачное для коротковолнового солнечного излучения покрытие не пропускает инфракрасное излучение с большой длиной волны, которое исходит от поглотителя. Отбор тепловой энергии обеспечивается за счёт постоянной циркуляции теплоносителя (охлаждённого на входе 4 и нагретого с выхода 5). Плоские коллекторы предпочтительны при нагреве теплоносителя до температуры не выше 100⁰С, а эффективность их работы зависит от светопропускающих и теплоизолирующих свойств покрытия, а также поглощающих свойств нагреваемого тела. Для плоских гелиоколлекторов значение коэффициента преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию находится в пределах 40…60% и выше.

Рис. 3.2. Устройство плоского коллектора: 1- ящик с тепловой изоляцией; 2 - прозрачное покрытие (стекло); 3 - поглотитель солнечного излучения; 4 - вход теплоносителя; 5 - выход теплоносителя.

Концентрирующие коллекторы используют в случаях, когда требуется получить температуру нагрева более 100^оС. Концентрирующие коллекторы (рис. 3.3) включают в свой состав приёмник (поглотитель) 1 солнечного излучения и концентратор 2. Конструктивно он выполняется в виде фокусирующей оптической системы. Функционально такой коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения с большой площади и его концентрацию на приёмнике с небольшой площадью поверхности. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приёмник солнечного излучения.

Концентратор может быть также выполнен: в виде системы плоских зеркал, каждое из которых направляет солнечное излучение на один приёмник; в виде цилиндрического зеркала; в виде линзы и др. При использовании таких коллекторов в приёмнике достигается температура до нескольких сотен или даже тысяч градусов по Цельсию.

Рис. 3.3. Концентрирующий коллектор: 1 - приёмник излучения; 2 - параболическое зеркало.

Объёмные коллекторы используют для нагрева с помощью солнечного излучения больших объёмов воздуха, воды, почвы, строительных конструкций и других поглотителей тепла. Использование в качестве теплоносителя атмосферного воздуха, в ряде случаев упрощает конструкцию гелиоколлектора. Однако ввиду того, что удельная теплоёмкость и теплопроводность воздуха намного ниже, чем жидкостных теплоносителей (вода, антифриз), передача тепловой энергии от приёмника солнечного излучения происходит слабее. Поэтому приёмники-нагреватели в воздушных объёмных коллекторах изготавливаются с большой площадью теплообмена: пластинчатые, сетчатые, в виде пористых пластин и др. Простейшим примером объёмного коллектора может служить плёночная или застеклённая теплица, расположенная с южной стороны здания

(рис. 3.4).

Рис. 3.4. Объёмный коллектор в системе отопления здания: 1 - светопрозрачное покрытие; 2 - тёмная шероховатая поверхность стены здания; 3 – штора.

Тепловая гелиоустановка с плоским коллектором для обеспечения более надёжного теплоснабжения должна оборудоваться тепловым аккумулятором (рис. 3.4). Для обеспечения циркуляции теплоносителя используется насос. Однако если бак-аккумулятор расположить выше гелиоколлектора, то прокачка теплоносителя может осуществляться за счёт естественной циркуляции.

Рис. 3.5. Тепловая гелиоустановка для горячего водоснабжения:

1 - плоский гелиоколлектор; 2 - насос; 3 - теплоизолированный бак-аккумулятор; 4 – теплообменники.

Для условий нашей республики при использовании воды в качестве теплоаккумулирующей массы ёмкость бака-аккумулятора выбирается в пределах 50...100 литров на 1 м² поверхности гелиоколлектора. Использование современных материалов позволяет создавать гелиоустановки без передающего и аккумулирующего устройств, функцию которых выполняет надежно изолированный коллектор.

Для объектов АПК использование тепловых гелиоустановок очень перспективно. Установка небольшой мощности с площадью коллектора до 10м² способна обеспечивать горячей водой отдельностоящий сельский дом с семьей 4-5 человек с апреля по октябрь месяцы. В отопительный период применение таких установок, а также объемных коллекторов (рис.3.4) позволит существенно снизить затраты топлива для отопления здания.

Передвижной гелиоводоподогреватель [9] позволяет эффективно решать проблему горячего водоснабжения при эксплуатации пастбищных доильных установок. Функциональная схема такой гелиоустановки соответствует схеме, приведенной на рис.3.5. Для привода электродвигателя насоса в ней используется автомобильный аккумулятор или солнечная батарея. При площади коллектора 6 м² установка обеспечивает в солнечный день подогрев 400 литров воды до температуры 55 ± 5^оС.

Использование тепловой гелиоустановки для досушивания сена показано на рис. 3.6. Гелиоколлектор для нагрева больших объёмов воздуха размещается на южной стороне крыши здания и частично у стены. Прокачку воздуха обеспечивает один или несколько вентиляторов. Процесс сушки по сравнению с методом активного вентилирования сена (без подогрева воздуха) ускоряется в 1, 5-2 раза, а расход электроэнергии для работы вентиляторов уменьшается более чем на 20 %. При досушивании сена с начальной влажностью 40% до кондиционной 17 % на 1 т сена (исходной влажности) для подогрева воздуха на 5⁰С необходимо 10...15 м² площади коллектора.

При использовании воздуха в качестве теплоносителя и необходимости запасать тепло на тёмное время суток, применяют воздушные аккумуляторы теплоты. Простейший аккумулятор такого типа выполняется в виде бетонированной теплоизолированной траншеи, заполненной булыжником, через который прокачивается нагретый воздух в дневное время. При этом булыжная масса нагревается. В ночное время, прокачивая холодный воздух через траншею, на выходе получают нагретый воз-

дух. Объем такого аккумулятора выбирают из расчёта 1 м³ камней на

Рис. 3.6. Гелиохранилище для сушки сена: 1- светопрозрачное покрытие; 2 - вентилятор; 3 - тюки сена; 4 - решётчатый пол.

1 м² площади воздушного коллектора.

Ввиду непостоянства потока энергии солнечного излучения вопрос аккумулирования тепловой энергии имеет очень важное значение. Однако он может успешно решаться путем использования тепловых аккумуляторов различных типов. Суточное аккумулирование обеспечивается за счет использования упомянутых выше водяных и каменных аккумуляторов. Накопление значительного количества тепловой энергии способны обеспечить грунтовые и подземные аккумуляторы теплоты [21]. Эти устройства могут быть использованы в качестве долговременных и сезонных накопителей тепловой энергии.