Определение технического потенциала тепловой энергии от солнечного излучения Системы солнечного теплоснабжения (ССТ) становятся все более популярными во многих странах мира. Особенно впечатляют успехи солнечной теплоэнергетики в Европе, где ежегодный прирост оборота отрасли в течение последних десяти лет составлял 11– 12%. Общая площадь солнечных коллекторов (СК), установленных к настоящему времени в европейских странах, составляет более 11 млн м2. В последнее десятилетие наиболее быстро рынок ССТ развивался в Германии, Австрии и Греции. Мировой опыт применения солнечных коллекторов (СК) показывает, что солнечные системы теплоснабжения могут быть эффективными и надежными для обеспечения горячего водоснабжения и отопления жилых и общественных зданий, подогрева воды в бассейнах и даже солнечного кондиционирования и опреснения воды. В значительной мере успехи этой отрасли в мире объясняются мощной законодательной и финансовой поддержкой во всех странах европейского сообщества. В нашей стране как та, так и другая поддержки полностью отсутствуют, и поэтому достижения в этой области минимальны, хотя небольшое количество систем все же создано и успешно работает. Под солнечным теплоснабжением понимается использование солнечной энергии для обеспечения горячего водоснабжения и/или отопления в жилищно-коммунальной, бытовой или производственной сферах. Системы солнечного теплоснабжения могут быть классифицированы по различным критериям: а) по назначению: – системы горячего водоснабжения (ГВС); – системы отопления; – комбинированные системы; б) по виду используемого теплоносителя: – жидкостные; – воздушные; в) по продолжительности работы: – круглогодичные; – сезонные; г) по техническому решению схемы: – одноконтурные; – двухконтурные; – многоконтурные. Вне зависимости от варианта исполнения системы в мировой практике наиболее часто применяется градация систем по их производительности, которая определяет принципиальную схему и вариант конструктивного исполнения системы. Ориентировочные диапазоны производительности и применяемые для их реализации варианты систем приведены в табл. 1. Таблица 1 – Ориентировочные диапазоны производительности и применяемые для их реализации варианты систем Производительность Тип системы Описание системы по горячей воде в день Простейшая система, в которой СК, бакаккумулятор (БА) и трубопроводы объединены в < 150 л «моноблок» единую установку полной заводской готовности и, как правило, неразъемную. Применяется для сезонного ГВС в бытовых целях и на объектах, действующих только в летнее время Система, в которой движение теплоносителя в коллекторном контуре осуществляется за счет 150–300 л малая безнасосная («термосифонная») разности плотности теплоносителя, нагреваемого в СК, и охлаждения его в БА. В таких системах БА всегда расположен выше СК и расстояние между ними мало. Наиболее часто применяется для сезонного ГВС Система с принудительной циркуляцией теплоносителя, в коллекторном контуре которой имеется насос и система автоматического 300–750 л малая насосная управления им. Расположение БА относительно СК – произвольное. Может применяться как для сезонной (ГВС), так и круглогодичной эксплуатации (ГВС + отопление) большая > 1000 л многоконтурная («промышленная») Системы с принудительной циркуляцией теплоносителя. Применяются для теплоснабжения объектов с большой тепловой нагрузкой в режиме сезонной или круглогодичной эксплуатации Рисунок 1 – Принципиальная схема системы солнечного водоснабжения. Солнечные коллекторы Основным конструктивным элементом ССТ является солнечный коллектор. Современный солнечный коллектор — это сложный поглотитель (абсорбер) солнечной энергии со встроенным в него трубопроводом для теплоносителя. Абсорбер размещен в герметичном корпусе, открытом солнцу только с одной стороны. Тыльная сторона закрыта и утеплена слоем минеральной ваты или другим утеплителем. Таким образом коллектор — это своеобразная высокотехнологичная миниатюрная теплица. Чем больше солнечной энергии передаётся теплоносителю в коллекторе, тем выше его эффективность. Это требует применения специальных материалов. Один из них — медь, обладающая очень высокой теплопроводностью. Повышают поглощение и специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном диапазоне. В наше время наиболее распространены два типа коллекторов — плоский и трубчатый (вакуумный). Плоский коллектор (рис. 2) - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (меди или алюминия). Чаще всего используют медь, т.к. она лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей коэффициентом способностью излучения в в видимой длинноволновой области инфракрасной спектра и области. низким Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери. Рисунок 2 – Плоский коллектор Принцип действия плоского солнечного коллектора заключается в том, что, солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю - воде или антифризу, циркулирующему через солнечный коллектор. Теплоноситель нагревается и отдает затем тепловую энергию через теплообменник воде в емкостном водонагревателе. В нем горячая вода находится до момента ее использования. Также в емкостном водонагревателе можно установить трубчатый электрический нагреватель, чтобы в случае понижения температуры ниже установленной (например, из-за продолжительной пасмурной погоды) она нагревала воду до заданной температуры. Вакуумные коллекторы были изобретены в конце 1970х - начале 1980х годов. В вакуумном коллекторе вместо одной покрытой стеклом коробки используется ряд больших полых стеклянных трубок. Внутри каждой из них находится еще одна (или более) в которой содержится абсорбер тепла, нагревающий теплоноситель. Между внешней и внутренней трубкой находится вакуум, который служит теплоизолятором. Вакуумные солнечные коллекторы делятся на два типа: прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор (рис. 3) и вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой (рис. 4). Отличаются они лишь тем, что в первом, теплоноситель протекает в самих вакуумных трубках, а во втором, в закрытых тепловых трубках с небольшим содержанием легкокипящей жидкости, которая при закипании испаряется и передаёт своё тепло теплоносителю. Рисунок 3 – Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор Рисунок 4 – Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой Вакуумные солнечные коллекторы более удобны в монтаже и обслуживании, так как при повреждении одной из трубок, достаточно заменить только ее. Поскольку вакуум является идеальным теплоизолятором, трубчатые коллекторы практически независимы от окружающей среды и значительно более чувствительны к минимальному солнечному излучению. Благодаря этим технологиям, вакуумные коллекторы нашли широкое применение в составе круглогодичной, дополнительной энергосистемы для отопления и подогрева воды. Эффективность внедрения ССТ КПД солнечных коллекторов в первом приближении может быть рассчитан по следующей формуле: 𝜂 = 𝜂о − 𝑘 ∙ Δ𝑇 , 𝐸 где 𝜂о – номинальный (оптический) КПД установки при нормальных условиях (от 60 до 65%); 𝑘 – коэффициент, зависящий от типа и теплоизоляции коллектора, для вакуумного солнечного коллектора с тепловыми трубками 𝑘 = 0,7 − 1,1; Δ𝑇 – разность температур теплоносителя и окружающего воздуха, ° С; E – солнечная радиация, (Вт/кв. м). КПД солнечных коллекторов достаточно высок и достигает значения 30-50 %, а удельный тепловой поток, получаемый в коллекторе — 350–580 кВт/м2 . С учетом возможных потерь среднегодовое количество полезной теплоты на выходе из коллектора равно 150–350 кВт/м2. КПД систем с водными коллекторами, приблизительно, на 8–10 % больше систем с воздушными солнечными коллекторами. Но для водяных коллекторов опасно замерзание теплоносителя и поэтому в качестве рабочего тела следует использовать рабочее тело, представляющим собой смесь воды с различными гликолями. За счет использования тепловых трубок в конструкции вакуумных коллекторов достигается больший КПД при работе в условиях низких температур и слабой освещенности. В то же время использование дополнительного теплового контура приводит к потерям, поэтому при температурах выше +15°С эффективность вакуумных коллекторов практически совпадает, а иногда и ниже чем у плоских коллекторов. Наличие качественных многослойных высокоселективных покрытий и вакуума, позволяет современному солнечному коллектору улавливать и передавать солнечную энергию в очень широком спектре излучения. Для эффективной работы необходимо предусматривать ряд факторов при установке и эксплуатации. Солнечные коллектора устанавливаются на крыше зданий под углом к горизонту, равным географической широте местности. Оптимальный угол наклона зимой составляет 60°, летом – 30°. Вторым параметром является азимут, который не должен отклоняться архитектурнопланировочные от 0° (южное ограничения, направление). допускается Поскольку отклонение от имеются южного направления до 45°. В связи с тем, что солнечный нагреватель невозможно выключить, в периоды максимального солнечного облучения и малого водоразбора температура (температура застоя) в нем может достигать 300°C. Поэтому в качестве трубопроводов обвязки водонагревателей следует применять трубы из меди или нержавеющей стали. Также необходимо предусмотреть теплоизоляцию первого контура трубопроводов обвязки водонагревателей для предупреждения ожогов и возгораний. Материал теплоизоляции и крепежа должен соответствовать указанным температурным режимам. Температура застоя для данного модельного ряда указывается на корпусах коллекторов. Список литературы 1. Матвеев С.Ф., Машукова А.И., Дорофеева Н.Л. Типы солнечных коллекторов // Science Time. 2015. №4. 2. Белоглазова Т. Н., Романова Т. Н. Эффективность внедрения солнечных коллекторов // ПСЭ. 2014. №4 (52). 3. Поляков В.А., Бегдай С.Н. Солнечный коллектор в системах энергосбережения // Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова. 2017. №5. 4. Солнечные системы теплоснабжения // АНДИ Групп URL: https://andigrupp.ru/informatsiya/stati/solnechnye-sistemy-teplosnabzheniya/#3 21.03.2021). (дата обращения:
