Solarni sistemi grijanja. Smjernice za proračun i projektovanje solarnih sistema za opskrbu toplinom

Upotreba „zelene“ energije koju isporučuju prirodni elementi može značajno smanjiti Komunalni troškovi. Na primjer, uređenjem solarnog grijanja za privatnu kuću, opskrbit ćete niskotemperaturne radijatore i sisteme podnog grijanja s gotovo besplatnim rashladnim sredstvom. Slažete se, ovo već štedi novac.

Sve o “zelenim tehnologijama” naučit ćete iz našeg predloženog članka. Uz našu pomoć lako možete razumjeti vrste solarnih instalacija, načine njihove izgradnje i specifičnosti rada. Vjerovatno će vas zanimati jedna od popularnih opcija koje aktivno rade u svijetu, ali kod nas još nisu tražene.

U pregledu koji je predstavljen vašoj pažnji analizirane su karakteristike dizajna sistema i detaljno su opisani dijagrami povezivanja. Dat je primjer izračunavanja kruga solarnog grijanja kako bi se procijenile realnosti njegove izgradnje. Pomoći samostalne zanatlije U prilogu su izbori fotografija i video zapisi.

U prosjeku, 1 m 2 zemljine površine prima 161 W sunčeve energije na sat. Naravno, na ekvatoru će ova brojka biti mnogo puta veća nego na Arktiku. Osim toga, gustina sunčevog zračenja zavisi od doba godine.

U moskovskoj oblasti intenzitet sunčevog zračenja u periodu decembar-januar razlikuje se od maja-jula za više od pet puta. Međutim, moderni sistemi su toliko efikasni da mogu raditi gotovo bilo gdje na zemlji.

27.09.2019

Klasifikacija i glavni elementi solarnih sistema

Solarni sistemi grijanja su sistemi koji koriste sunčevo zračenje kao izvor toplinske energije. Njihova karakteristična razlika iz drugih sistema niskotemperaturno grijanje je upotreba posebnog elementa - solarnog prijemnika, dizajniranog da uhvati sunčevo zračenje i pretvori ga u toplotnu energiju.

Prema načinu korištenja sunčevog zračenja, solarni niskotemperaturni sustavi grijanja dijele se na pasivne i aktivne.

Pasivno Solarni sistemi grejanja nazivaju se solarni sistemi grejanja u kojima sama zgrada ili njene pojedinačne ograde služe kao element koji prima sunčevo zračenje i pretvara ga u toplotu (zgrada kolektora, zid kolektora, krovni kolektor, slika 1).

U pasivnim solarnim sistemima korištenje sunčeve energije se odvija isključivo kroz arhitektonska i konstruktivna rješenja zgrada.

U pasivnom solarnom sistemu niskotemperaturnog grijanja, solarno zračenje zgrade-kolektora, prodirući kroz svjetlosne otvore u prostoriju, pada, takoreći, u termičku zamku. Kratkotalasno sunčevo zračenje slobodno prolazi prozorsko staklo a ulazeći na unutrašnje ograde prostorije, pretvara se u toplinu. Svo sunčevo zračenje koje ulazi u prostoriju pretvara se u toplinu i može je djelomično ili potpuno nadoknaditi toplotnih gubitaka.

Da bi se povećala efikasnost sistema zgrade-kolektora, na južnoj fasadi se postavljaju svetlosni otvori velike površine, opremljeni roletnama, koje u zatvorenom treba da spreče gubitke od protivzračenja u mraku, a u toplom periodu, u u kombinaciji sa drugim uređajima za zaštitu od sunca, sprečavaju pregrijavanje prostorije. Unutrašnje površine su ofarbane u tamne boje.

Problem obračuna kod ovu metodu grijanje je odrediti potrebnu površinu svjetlosnih otvora za prijenos protoka sunčevog zračenja u prostoriju, što je neophodno, uzimajući u obzir akumulaciju za nadoknadu toplinskih gubitaka. Po pravilu, snaga pasivnog sistema zgrada-kolektor tokom hladnog perioda nije dovoljna, a u zgradu se ugrađuje dodatni izvor toplote, pretvarajući sistem u kombinovani. Proračunom se određuju ekonomski isplative površine svjetlosnih otvora i snaga dodatnog izvora topline.

Pasivni solarni niskotemperaturni sistem grijanja zraka “zidni kolektor” uključuje masiv vanjski zid, ispred kojeg je na maloj udaljenosti postavljen prozirni paravan sa roletnama. U zidovima blizu poda i ispod plafona ugrađuju se otvori u obliku proreza sa ventilima. Sunčeve zrake, prolazeći kroz prozirni ekran, apsorbuju se na površinu masivnog zida i pretvaraju u toplotu, koja se konvekcijom prenosi na vazduh koji se nalazi u prostoru između ekrana i zida. Vazduh se zagreva i diže, ulazeći u servisiranu prostoriju kroz otvor ispod plafona, a njegovo mesto zauzima ohlađeni vazduh iz prostorije, prodirući u prostor između zida i ekrana kroz prorez u blizini poda prostorije. Dovod zagrijanog zraka u prostoriju kontrolira se otvaranjem ventila. Ako je ventil zatvoren, toplina se akumulira u masi zida. Ova toplota se može ukloniti konvektivnim strujanjem vazduha otvaranjem ventila noću ili po oblačnom vremenu.

Prilikom proračuna takvog pasivnog niskotemperaturnog solarnog sistema grijanja zraka određuje se potrebna površina zida. Ovaj sistem također dupliciran s dodatnim izvorom topline.

Aktivan nazivaju se solarni niskotemperaturni sistemi grijanja u kojima je solarni prijemnik samostalan zaseban uređaj koji nije povezan sa zgradom. Aktivni solarni sistemi se mogu podijeliti na:

po namjeni (opskrba toplom vodom, sistemi grijanja, kombinovani sistemi za opskrbu toplinom i hladnoćom);
prema vrsti rashladnog sredstva koje se koristi (tečnost - voda, antifriz i vazduh);
po trajanju rada (celogodišnje, sezonsko);
By tehničko rješenje kola (jedan, dva, višestruka).

Za aktivne solarne sisteme grijanja koriste se dvije vrste solarnih prijemnika: koncentrirani i ravni.

Zrak je široko rasprostranjena rashladna tekućina koja se ne smrzava u cijelom rasponu radnih parametara. Kada se koristi kao rashladno sredstvo, moguće je kombinovati sisteme grejanja sa ventilacionim sistemom. Međutim, zrak je rashladna tekućina niske topline, što dovodi do povećanja potrošnje metala za ugradnju sistema grijanja zraka u odnosu na sisteme za vodu. Voda je toplotno intenzivno i široko dostupno rashladno sredstvo. Međutim, na temperaturama ispod 0 ◦ C, potrebno je dodati antifriz. Osim toga, mora se uzeti u obzir da voda zasićena kisikom uzrokuje koroziju cjevovoda i opreme. Ali potrošnja metala u solarnim sistemima za vodu je znatno manja, što uvelike doprinosi njihovoj široj upotrebi.

Sezonski solarni sistemi za snabdevanje toplom vodom su obično jednokružni i rade u letnjim i prelaznim mesecima, u periodima sa pozitivnim spoljašnjim temperaturama. Mogu imati dodatni izvor topline ili bez njega, ovisno o namjeni servisiranog objekta i uslovima rada.

Solarna instalacija za grijanje vode VU (slika 2) sastoji se od solarnog kolektora i izmjenjivača-akumulatora topline. Kroz solarni kolektor rashladna tečnost (antifriz) cirkuliše. Rashladna tečnost se zagrijava u solarnom kolektoru energijom Sunca, a zatim ispušta toplotnu energiju u vodu kroz izmjenjivač topline postavljen u akumulator. Rezervoari za skladištenje vruća voda dok se ne koristi, tako da mora imati dobru toplotnu izolaciju. U primarnom krugu, gdje se nalazi solarni kolektor, prirodni ili prisilna cirkulacija rashladna tečnost. U spremnik se može ugraditi električni ili neki drugi automatski rezervni grijač. Ako temperatura u rezervoaru padne ispod zadate (dugo oblačno vrijeme ili nekoliko sunčanih sati zimi), pomoćni grijač se automatski uključuje i zagrijava vodu na podešenu temperaturu.

Solarni sistemi grijanja za zgrade su obično dvokružni ili najčešće višekružni, a za različite krugove se mogu koristiti različita rashladna sredstva (na primjer, u solarnom krugu - vodene otopine tekućina koje se ne smrzavaju, u međukrugovima - voda , au krugu potrošača - zrak). Kombinovani cjelogodišnji solarni sistemi za potrebe opskrbe zgradama toplinom i hladnoćom su višekružni i uključuju dodatni izvor topline u obliku tradicionalnog generatora topline na fosilna goriva ili toplotnog transformatora. Shematski dijagram Solarni sistem grijanja je prikazan na slici 3. Sadrži tri cirkulacijska kruga:

prvi krug, koji se sastoji od solarnih kolektora 1, cirkulacione pumpe 8 i tečnog izmjenjivača topline 3;
drugi krug, koji se sastoji od spremnika 2, cirkulacijske pumpe 8 i izmjenjivača topline 3;
treći krug, koji se sastoji od rezervoara 2, cirkulacione pumpe 8, vodo-vazduh izmjenjivača topline (grijača) 5.

Solarni sistem grijanja radi na sljedeći način. Rashladno sredstvo (antifriz) kruga za primanje toplote, zagrijavajući se u solarnim kolektorima 1, ulazi u izmjenjivač topline 3, gdje se toplina antifriza prenosi na vodu koja cirkulira u međucijevnom prostoru izmjenjivača topline 3 pod djelovanjem pumpa 8 sekundarnog kruga. Zagrijana voda ulazi u akumulacijski rezervoar 2. Iz akumulacionog rezervoara voda se uzima pumpom za dovod tople vode 8, po potrebi dovodi do potrebne temperature u rezervnoj 7 i ulazi u sistem tople vode zgrade. Rezervoar baterije se puni iz dovoda vode. Za grejanje, voda iz akumulacionog rezervoara 2 se preko pumpe trećeg kola 8 dovodi do grejača 5, kroz koji se vazduh uz pomoć ventilatora 9 propušta i kada se zagreva ulazi u zgradu 4. U nedostatku solarne energije zračenja ili nedostatka toplotne energije koju generišu solarni kolektori, uključuje se rezervni 6. Izbor i raspored elemenata solarnog sistema grejanja u svakom konkretnom slučaju određuju se klimatskim faktorima, namenom objekta, načinom potrošnje toplote i ekonomski pokazatelji.

Slika 4 prikazuje dijagram solarnog sistema grijanja za energetski efikasnu, ekološki prihvatljivu kuću.

Sistem koristi kao rashladnu tečnost: vodu na pozitivnim temperaturama i antifriz tokom perioda grejanja (solarni krug), vodu (drugi krug podno grijanje) i zraka (treći krug zračnog solarnog grijanja).

Kao rezervni izvor korišten je električni kotao, a baterija od 5 m 3 sa šljunkovitim nastavkom je korištena za akumulaciju topline za jedan dan. Jedan kubni metar šljunka akumulira u prosjeku 5 MJ toplote dnevno.

Niskotemperaturni termoakumulacioni sistemi pokrivaju temperaturni opseg od 30 do 100 ◦C i koriste se u sistemima zračnog (30 ◦ C) i vode (30-90 ◦ C) i tople vode (45-60 ◦ C).

Sistem za skladištenje toplote, po pravilu, sadrži rezervoar, materijal za akumulaciju toplote koji se koristi za akumulaciju i skladištenje toplotne energije, uređaje za izmjenu topline za dovod i odvođenje topline pri punjenju i pražnjenju baterije i toplinsku izolaciju.

Baterije se mogu klasificirati prema prirodi fizičkih i kemijskih procesa koji se odvijaju u materijalima za skladištenje topline:

baterije kapacitivnog tipa koje koriste toplinski kapacitet zagrijanog materijala (šljunak, voda, vodeni rastvori soli, itd.);
baterije s faznim prijelazom tvari, koje koriste toplinu topljenja (stvrdnjavanja) tvari;
akumulatori energije zasnovani na oslobađanju i apsorpciji toplote tokom reverzibilnih hemijskih i fotohemijskih reakcija.

Najrasprostranjeniji akumulatori toplote su kapacitivni tip.

Količina topline Q (kJ) koja se može akumulirati u kapacitivnom akumulatoru topline određena je formulom

Najefikasniji materijal za skladištenje toplote u tečnim solarnim sistemima za grejanje je voda. Za sezonsku akumulaciju topline, obećavajuće je korištenje podzemnih rezervoara, kamenog tla i drugih prirodnih formacija.

Koncentracioni solarni prijemnici su sferna ili parabolična ogledala (slika 5.), izrađena od poliranog metala, u čijem fokusu je postavljen element za primanje toplote (solarni bojler) kroz koji cirkuliše rashladna tečnost. Voda ili tekućine koje se ne smrzavaju koriste se kao rashladno sredstvo. Kada koristite vodu kao rashladnu tečnost noću i tokom hladnih perioda, sistem se mora isprazniti kako bi se sprečilo smrzavanje.

Da obezbedi visoka efikasnost Tokom procesa hvatanja i pretvaranja sunčevog zračenja, koncentrirani solarni prijemnik mora biti stalno usmjeren striktno prema Suncu. U tu svrhu, solarni prijemnik je opremljen sistemom za praćenje, uključujući senzor smjera prema Suncu, elektroničku jedinicu za konverziju signala i elektromotor sa mjenjačem za rotaciju strukture solarnog prijemnika u dvije ravni.

Prednost sistema sa koncentrisanim solarnim prijemnicima je mogućnost stvaranja toplote na relativno visokoj temperaturi (do 100 ◦ C), pa čak i pare. Nedostaci uključuju visoku cijenu strukture; potreba za stalnim čišćenjem reflektirajućih površina od prašine; rade samo tokom dana, a samim tim i potreba za velikim baterijama; veliki troškovi energije za pokretanje solarnog sistema za praćenje, srazmerno proizvedenoj energiji. Ovi nedostaci ometaju široku upotrebu aktivnih niskotemperaturnih solarnih sistema grijanja sa koncentriranim solarnim prijemnicima. U posljednje vrijeme za solarne niskotemperaturne sisteme grijanja najčešće se koriste ravni solarni prijemnici.

Plosnati solarni kolektori

Ravni solarni kolektor je izmjenjivač topline dizajniran za zagrijavanje tekućine ili plina korištenjem sunčeve energije. Predmet primjene ravnih solarnih kolektora su sistemi grijanja stambenih i industrijskih zgrada, sistemi klimatizacije, sistemi za opskrbu toplom vodom, kao i elektrane sa radnim fluidom niskog ključanja, koji obično rade po Rankineovom ciklusu. Plosnati solarni kolektori (slike 6 i 7) sastoje se od staklenog ili plastičnog poklopca (jednostruki, dvostruki, trostruki), panela za primanje topline obojenog u crno na strani okrenutoj prema Suncu, izolacije na poleđini i kućišta (metalno , plastika, staklo, drvo).

Bilo koji metalni ili plastični lim sa kanalima za rashladnu tečnost može se koristiti kao panel za primanje toplote. Paneli za primanje toplote izrađuju se od aluminijuma ili čelika dve vrste: limene i štancane ploče (cev u lim). Plastične ploče, zbog svoje krhkosti i brzog starenja pod utjecajem sunčeve svjetlosti, kao i niske toplinske provodljivosti, nisu u širokoj upotrebi. Pod uticajem sunčevog zračenja, paneli koji primaju toplotu se zagrevaju do temperature od 70–80 ◦ C, što prelazi temperaturu okoline, što dovodi do povećanja konvektivnog prenosa toplote panela u okolinu i sopstvenog zračenja prema nebu. . Da postignete više visoke temperature Površina rashladne tečnosti ploče prekrivena je spektralno-selektivnim slojevima koji aktivno apsorbuju kratkotalasno zračenje Sunca i smanjuju sopstveno toplotno zračenje u dugotalasnom delu spektra. Takvi dizajni na bazi "crnog nikla", "crnog kroma", bakrenog oksida na aluminiju, bakrenog oksida na bakru i drugih su skupi (njihov trošak je često usporediv s cijenom same ploče za primanje topline). Drugi način za poboljšanje performansi ravnih kolektora je stvaranje vakuuma između panela koji prima toplinu i prozirne izolacije kako bi se smanjili gubici topline (četvrta generacija solarnih kolektora).

Princip rada kolektora temelji se na činjenici da on percipira sunčevo zračenje s dovoljno visokim koeficijentom apsorpcije vidljive sunčeve svjetlosti i ima relativno niske toplinske gubitke, uključujući i zbog niske propusnosti prozirnog staklenog premaza za toplinsko zračenje na radnoj temperaturi. . Jasno je da je temperatura rezultirajuće rashladne tekućine određena toplinskom ravnotežom kolektora. Ulazni dio bilansa predstavlja toplotni tok sunčevog zračenja, uzimajući u obzir optičku efikasnost kolektora; rashodovni dio određuje se ekstrahovanom korisnom toplotom, koeficijentom ukupnog gubitka toplote i razlikom između radne temperature i okoline. Savršenost kolektora određena je njegovom optičkom i termičkom efikasnošću.

Optička efikasnost η o pokazuje koji dio sunčevog zračenja koje dospijeva do površine stakla kolektora apsorbira crna površina koja apsorbira zračenje, i uzima u obzir gubitke energije povezane s apsorpcijom u staklu, refleksijom i razlikom u toplinskoj emisivnosti koeficijent apsorbujuće površine iz jedinice.

Najjednostavniji solarni kolektor s prozirnim slojem od jednog stakla, izolacijom od poliuretanske pjene preostalih površina i apsorberom obloženim crnom bojom ima optičku efikasnost od oko 85% i koeficijent gubitka topline reda 5-6 W/( m 2 K) (slika 7). Kombinacija ravne površine koja apsorbira zračenje i cijevi (kanala) za rashladnu tekućinu čini jedan strukturni element - apsorber. Takav kolektor ljeti na srednjim geografskim širinama može zagrijati vodu na 55-60 ◦ C i ima dnevnu produktivnost od u prosjeku 70-80 litara vode po 1 m2 površine grijača.

Za postizanje viših temperatura koriste se kolektori od evakuiranih cijevi sa selektivnim premazom (slika 8).

U vakuumskom kolektoru, zapremina koja sadrži crnu površinu koja apsorbuje sunčevo zračenje odvojena je od okoline evakuisanim prostorom (svaki element apsorbera smešten je u posebnu staklenu cev, unutar koje se stvara vakuum), što ga čini moguće gotovo u potpunosti eliminirati gubitak topline u okoliš zbog toplinske provodljivosti i konvekcije. Gubici zračenja su u velikoj mjeri potisnuti upotrebom selektivnog premaza. U vakuumskom kolektoru rashladna tečnost se može zagrijati na 120–150 ◦C. Efikasnost vakuumskog kolektora je znatno veća od one ravnog kolektora, ali i košta mnogo više.

Efikasnost solarnih instalacija u velikoj mjeri ovisi o optičkim svojstvima površine koja apsorbira sunčevo zračenje. Da bi se gubici energije minimizirali, neophodno je da u vidljivom i bliskom infracrvenom području sunčevog spektra koeficijent apsorpcije ove površine bude što je moguće bliži jedinici, a u području talasne dužine sopstvenog toplotnog zračenja površine, koeficijent refleksije treba da teži jedinici. Dakle, površina mora imati selektivna svojstva - dobro apsorbirati kratkovalno zračenje i dobro reflektirati dugovalno zračenje.

Na osnovu vrste mehanizma odgovornog za selektivnost optičkih svojstava, razlikuju se četiri grupe selektivnih premaza:

vlastiti;
dvoslojni, kod kojih gornji sloj ima visok koeficijent apsorpcije u vidljivom dijelu spektra i mali u infracrvenom području, a donji sloj ima visok koeficijent refleksije u infracrvenom području;
sa mikroreljefom koji daje potreban efekat;
smetnje

Mali broj poznatih materijala, na primjer W, Cu 2 S, HfC, ima svoju selektivnost optičkih svojstava.

Dvoslojni selektivni premazi se najčešće koriste. Sloj visoke refleksije u dugovalnom području spektra, na primjer bakar, nikl, molibden, srebro, aluminij, nanosi se na površinu kojoj treba dati selektivna svojstva. Na vrh ovog sloja nanosi se sloj koji je providan u dugotalasnom području, ali ima visok koeficijent apsorpcije u vidljivom i bliskom infracrvenom području spektra. Mnogi oksidi imaju takva svojstva.

Površinska selektivnost može se osigurati zahvaljujući čisto geometrijskim faktorima: površinske nepravilnosti moraju biti veće od valne dužine svjetlosti u vidljivom i bliskom infracrvenom području spektra i manje od valne dužine koja odgovara vlastitom toplinskom zračenju površine. Takva površina će biti crna za prvu od ovih spektralnih područja, a zrcalna za drugu.

Površine s dendritskom ili poroznom strukturom s odgovarajućim veličinama dendritskih iglica ili pora imaju selektivna svojstva.

Interferentno selektivne površine formirane su od nekoliko naizmjeničnih slojeva metala i dielektrika, u kojima je kratkovalno zračenje potisnuto zbog smetnji, a dugovalno zračenje se slobodno reflektira.

Obim upotrebe solarnih sistema grejanja

Prema IEA-i, do kraja 2001. godine ukupna površina instaliranih kolektora u 26 najaktivnijih zemalja u tom pogledu iznosila je oko 100 miliona m 2 , od čega su 27,7 miliona m 2 bili neglazirani kolektori, koji se uglavnom koriste za zagrevanje vode. u bazenima. Ostalo - ravni zastakljeni kolektori i kolektori sa evakuisanim cijevima - korišteni su u PTV sistemi ili za grijanje prostora. Po površini instaliranih kolektora na 1000 stanovnika prednjače Izrael (608 m2), Grčka (298) i Austrija (220). Slijede Turska, Japan, Australija, Danska i Njemačka sa specifičnom površinom instaliranih kolektora od 118–45 m2/1000 stanovnika.

Ukupna površina solarnih kolektora instaliranih do kraja 2004. godine u zemljama EU dostigla je 13,96 miliona m2, au svijetu je već premašila 150 miliona m2. Godišnji porast površine solarnih kolektora u Evropi u prosjeku iznosi 12%, au nekim zemljama je na nivou od 28-30% ili više. Svjetski lider po broju kolektora na hiljadu stanovnika je Kipar, gdje je 90% kuća opremljeno solarnim instalacijama (na hiljadu stanovnika ima 615,7 m 2 solarnih kolektora), a slijede Izrael, Grčka i Austrija. Apsolutni lider u oblasti instaliranih kolektora u Evropi je Nemačka - 47%, a slede Grčka - 14%, Austrija - 12%, Španija - 6%, Italija - 4%, Francuska - 3%. evropske zemlje - neprikosnovenih lidera u razvoju novih tehnologija za solarne sisteme grijanja, ali su daleko iza Kine po obimu puštanja u rad novih solarnih instalacija.

Od ukupne površine solarnih kolektora instaliranih u svijetu 2004. godine, 78% je instalirano u Kini. Tržište IED-a u Kini nedavno je raslo po stopi od 28% godišnje.

U 2007. godini ukupna površina solarnih kolektora instaliranih u svijetu već je iznosila 200 miliona m2, uključujući više od 20 miliona m2 u Evropi.

Danas, na svjetskom tržištu, trošak IED-a (slika 9), koji uključuje kolektor površine 5-6 m2, akumulatorski rezervoar kapaciteta oko 300 litara i potrebne armature, iznosi 300 dolara- 400 US po 1 m2 kolektora. Takvi sistemi se uglavnom ugrađuju u individualne jedno- i dvo-porodične kuće i imaju rezervni grijač (električni ili plinski). Prilikom ugradnje rezervoara iznad kolektora, sistem može raditi na prirodnoj cirkulaciji (princip termosifona); pri ugradnji spremnika u podrumu - prisilno.

U svjetskoj praksi, mali solarni sistemi grijanja su najrasprostranjeniji. Tipično, takvi sistemi uključuju solarne kolektore sa ukupnom površinom 2-8 m2, rezervoar za skladištenje, čiji je kapacitet određen površinom instaliranih kolektora, cirkulacijska pumpa (ovisno o vrsti toplinskog kruga) i druga pomoćna oprema.

Veliki aktivni sistemi, u kojima se rezervoar nalazi ispod kolektora, a rashladna tečnost cirkuliše pomoću pumpe, koriste se za potrebe snabdevanja toplom vodom i grejanja. U pravilu, u aktivnim sistemima koji pokrivaju dio toplinskog opterećenja, predviđen je rezervni izvor topline na struju ili plin.

Relativno nova pojava u praksi korištenja solarnog grijanja su veliki sistemi koji mogu zadovoljiti potrebe tople vode i grijanja stambenih zgrada ili čitavih stambenih naselja. Takvi sistemi omogućavaju dnevnu ili sezonsku akumulaciju topline. Dnevna akumulacija pretpostavlja sposobnost sistema da radi sa potrošnjom toplote akumulirane tokom nekoliko dana, sezonska - tokom nekoliko mjeseci. Za sezonsku akumulaciju topline koriste se veliki podzemni rezervoari napunjeni vodom u koje se ispušta sav višak topline primljen iz kolektora tokom ljeta. Druga mogućnost sezonske akumulacije je zagrijavanje tla pomoću bunara s cijevima kroz koje cirkulira topla voda koja dolazi iz kolektora.

U tabeli 1 prikazani su glavni parametri velikih solarnih sistema sa dnevnim i sezonskim skladištenjem toplote u poređenju sa malim solarnim sistemom za porodičnu kuću.

Tabela 1. — Glavni parametri solarnih sistema grijanja

Trenutno u Evropi postoji 10 sistema solarnog grijanja sa kolektorskim površinama od 2400 do 8040 m2, 22 sistema sa kolektorskim površinama od 1000 do 1250 m2 i 25 sistema sa kolektorskim površinama od 500 do 1000 m2. Ispod su specifikacije za neke veće sisteme.

Hamburg (Njemačka). Površina grijanog prostora je 14800 m2. Površina solarnih kolektora je 3000 m2. Zapremina akumulatora vode je 4500 m3.

Fridrichshafen (Njemačka). Površina grijanih prostorija je 33.000 m2. Površina solarnih kolektora je 4050 m2. Zapremina akumulatora vode je 12000 m3.

Ulm-am-Neckar (Njemačka). Površina grijanih prostorija je 25.000 m2. Površina solarnih kolektora je 5300 m2. Zapremina zemaljskog akumulatora je 63400 m3.

Rostock (Njemačka). Površina grijanih prostorija je 7000 m2. Površina solarnih kolektora je 1000 m2. Zapremina zemaljskog akumulatora topline je 20.000 m3.

Hemnitz (Njemačka). Površina grijanog prostora je 4680 m2. Površina vakuumskih solarnih kolektora je 540 m2. Zapremina šljunčano-vodenog akumulatora je 8000 m3.

Attenkirchen (Njemačka). Površina grijanih prostorija je 4500 m2. Površina vakuumskih solarnih kolektora je 800 m2. Zapremina zemaljskog akumulatora topline je 9850 m3.

Saro (Švedska). Sistem se sastoji od 10 malih kuća, uključujući 48 stanova. Površina solarnih kolektora je 740 m2. Zapremina akumulatora vode je 640 m3. Solarni sistem pokriva 35% ukupnog toplotnog opterećenja sistema grijanja.

Trenutno u Rusiji postoji nekoliko kompanija koje proizvode solarne kolektore pogodne za pouzdan rad. Glavni su Mašinski kombinat Kovrov, NPO Mashinostroenie i ZAO ALTEN.

Kolektori Mašinskog kombinata Kovrov (Slika 10), koji nemaju selektivnu prevlaku, jeftini su i jednostavnog dizajna, namenjeni su uglavnom domaćem tržištu. IN Krasnodar region Trenutno je instalirano više od 1.500 kolektora ovog tipa.

Karakteristike kolektora NPO Mashinostroyenia su bliske evropskim standardima. Kolektorski apsorber je izrađen od legure aluminija sa selektivnim premazom i namijenjen je prvenstveno za rad u dvokružnim krugovima grijanja, jer direktan kontakt vode sa aluminijskim legurama može dovesti do pitting korozije kanala kroz koje prolazi rashladno sredstvo.

Kolektor ALTEN-1 je potpuno novog dizajna i zadovoljava europske standarde, može se koristiti i u jednokružnim i dvokružnim shemama opskrbe toplinom. Kolektor se odlikuje visokim toplinskim karakteristikama, širokim spektrom mogućih primjena, malom težinom i atraktivnim dizajnom.

Iskustvo u radu instalacija baziranih na solarnim kolektorima otkrilo je niz nedostataka ovakvih sistema. Prije svega, to je visoka cijena kolektora povezana sa selektivnim premazima, povećanjem transparentnosti zastakljivanja, usisavanja itd. Značajan nedostatak je potreba za čestim čišćenjem stakla od prašine, čime se praktično eliminiše upotreba kolektora u industrijskim prostorima. Tokom dugotrajnog rada solarnih kolektora, posebno u zimski uslovi, često dolazi do njihovog kvara zbog neravnomjernog širenja osvijetljenih i zamračenih površina stakla zbog narušavanja integriteta stakla. Takođe postoji veliki procenat kolektora koji kvare tokom transporta i montaže. Značajan nedostatak operativnih sistema sa kolektorima je i neravnomjerno opterećenje tokom cijele godine i dana. Iskustvo u radu kolektora u Evropi i evropskom delu Rusije sa visokim udelom difuznog zračenja (do 50%) pokazalo je nemogućnost stvaranja tokom cele godine. autonomni sistem opskrba toplom vodom i grijanje. Svi solarni sistemi sa solarnim kolektorima u srednjim geografskim širinama zahtevaju ugradnju rezervoara velike zapremine i uključivanje dodatnog izvora energije u sistem, što smanjuje ekonomski efekat od njihove upotrebe. U tom smislu, preporučljivo ih je koristiti u područjima sa visokim intenzitetom sunčevog zračenja (ne nižim od 300 W/m2).

Efikasno korištenje solarne energije

U stambenim i administrativne zgrade Sunčeva energija se uglavnom koristi u obliku toplote za potrebe opskrbe toplom vodom, grijanja, hlađenja, ventilacije, sušenja itd.

Sa ekonomskog gledišta, korištenje solarne topline je najkorisnije pri kreiranju sistema tople vode i u instalacijama za grijanje vode koje su slične po tehničkoj izvedbi (u bazenima, industrijskim uređajima). Snabdijevanje toplom vodom neophodno je u svakoj stambenoj zgradi, a kako se potražnja za toplom vodom relativno malo mijenja tokom cijele godine, efikasnost ovakvih instalacija je visoka i brzo se isplate.

Što se tiče solarnih sistema za grejanje, period njihove upotrebe tokom godine je kratak, tokom grejnog perioda intenzitet sunčevog zračenja je nizak i, shodno tome, površina kolektora je mnogo veća nego u sistemima za snabdevanje toplom vodom, a ekonomska efikasnost je niže. Obično se pri projektovanju kombinuju sistem solarnog grijanja i tople vode.

Kod solarnih rashladnih sistema period rada je još kraći (tri ljetna mjeseca), što dovodi do dugog zastoja opreme i vrlo niske stope iskorištenja. S obzirom na visoke troškove rashladne opreme, ekonomska efikasnost sistema postaje minimalna.

Godišnja iskorišćenost opreme u kombinovanim sistemima snabdevanja toplotom i hladnom vodom (topla voda, grejanje i hlađenje) je najveća, a ovi sistemi su na prvi pogled isplativiji od kombinovanih sistema za grejanje i toplu vodu. Međutim, ako uzmemo u obzir troškove potrebnih solarnih kolektora i mehanizama rashladnog sistema, ispada da će takve solarne instalacije biti vrlo skupe i teško da će postati ekonomski isplative.

Prilikom stvaranja solarnih sistema grijanja treba koristiti pasivne sheme koje osiguravaju povećanu toplinsku izolaciju zgrade i efikasno korišćenje sunčevo zračenje koje ulazi kroz prozorske otvore. Problem toplinske izolacije mora se rješavati na osnovu arhitektonsko-konstruktivnih elemenata, korištenjem materijala i konstrukcija niske toplinske provodljivosti. Preporuča se nadoknaditi nedostajuću toplinu korištenjem aktivnih solarnih sistema.

Ekonomske karakteristike solarnih kolektora

Glavni problem široko rasprostranjene upotrebe solarnih instalacija vezan je za njihovu neekonomičnu efikasnost u odnosu na tradicionalne sisteme opskrbe toplinom. Trošak toplinske energije u instalacijama sa solarnim kolektorima je veći nego u instalacijama s tradicionalnim gorivima. Period povrata solarne termalne instalacije T ca može se odrediti formulom:

Ekonomski efekat ugradnje solarnih kolektora u oblastima centralizovanog snabdevanja energijom E može se definisati kao prihod od prodaje energije tokom celog radnog veka instalacije minus operativni troškovi:

Tabela 2 prikazuje troškove solarnih sistema grijanja (u cijenama iz 1995. godine). Podaci pokazuju da su domaći radovi 2,5-3 puta jeftiniji od inostranih.

Niska cijena domaćih sistema objašnjava se činjenicom da su izrađeni od jeftinih materijala, jednostavni su u dizajnu i namijenjeni su domaćem tržištu.

Tabela 2. - Troškovi solarnih sistema grijanja

Specifični ekonomski efekat (E/S) u zoni centralizovanog snabdevanja toplotom, u zavisnosti od radnog veka kolektora, kreće se od 200 do 800 rubalja/m2.

Instalacije za opskrbu toplinom sa solarnim kolektorima imaju mnogo veći ekonomski učinak u regijama udaljenim od centraliziranih energetskih mreža, koje u Rusiji čine preko 70% njene teritorije sa oko 22 miliona stanovnika. Ove instalacije su projektovane da rade autonomno za individualne potrošače, kod kojih su potrebe za toplotnom energijom veoma značajne. Istovremeno, cena tradicionalnih goriva je mnogo veća od njihove cene u zonama daljinskog grejanja zbog transportnih troškova i gubitaka goriva tokom transporta, odnosno cena goriva u regionu Centralnog okruga uključuje regionalni faktor r r:

gdje je r r > 1 i može promijeniti svoju vrijednost za različite regije. Istovremeno, jedinični trošak instalacije C gotovo se ne mijenja u odnosu na C tr. Stoga, kada se C t zamijeni sa C tr u formulama

Izračunati period povrata za autonomne instalacije u područjima udaljenim od centraliziranih mreža smanjuje se za r puta, a ekonomski učinak raste srazmjerno r.

U današnjim uslovima u Rusiji, kada cene energije u stalnom porastu i neujednačene su po regionima zbog uslova transporta, odluka o ekonomskoj isplativosti korišćenja solarnih kolektora u velikoj meri zavisi od lokalnih socio-ekonomskih, geografskih i klimatskih uslova.

Solarno-geotermalni sistem grijanja

Sa stanovišta nesmetanog snabdijevanja potrošača energijom, najefikasniji su kombinovani tehnološki sistemi koji koriste dvije ili više vrsta obnovljivih izvora energije.

Zahvaljujući solarnoj toplotnoj energiji moguće je u potpunosti zadovoljiti potrebe za toplom vodom u kući ljetno vrijeme. IN jesensko-prolećni period Od sunca možete dobiti do 30% potrebne energije za grijanje i do 60% potreba za opskrbu toplom vodom.

IN poslednjih godina Aktivno se razvijaju geotermalni sistemi za opskrbu toplinom na bazi toplinskih pumpi. U takvim sistemima, kao što je gore navedeno, kao primarni izvor toplote koristi se niskopotencijalna (20–40 ◦ C) termalna voda ili petrotermalna energija. gornjih slojeva zemljine kore. Pri korištenju topline tla koriste se zemni izmjenjivači topline, postavljeni ili u vertikalne bunare duboke 100–300 m, ili horizontalno na određenoj dubini.

Da bi efikasno obezbedio toplotu i toplu vodu decentralizovanim potrošačima male snage, IPG DSC RAS je razvio kombinovani solarno-geotermalni sistem (Slika 11).

Takav sistem se sastoji od solarnog kolektora 1, izmenjivača toplote 2, rezervoara 3, Toplinska pumpa 7 i bunar izmjenjivača topline 8. Rashladna tekućina (antifriz) cirkulira kroz solarni kolektor. Rashladno sredstvo se u solarnom kolektoru zagreva energijom Sunca, a zatim odaje toplotnu energiju vodi preko izmenjivača toplote 2, ugrađenog u akumulacioni rezervoar 3. Akumulacioni rezervoar skladišti toplu vodu dok se ne iskoristi, tako da mora imati dobra toplotna izolacija. U primarnom krugu, gdje se nalazi solarni kolektor, može se koristiti prirodna ili prisilna cirkulacija rashladne tekućine. U rezervoar je ugrađen i električni grejač 6. Ako temperatura u rezervoaru padne ispod zadate temperature (produženo oblačno vreme ili nekoliko sunčanih sati zimi), električni grejač se automatski uključuje i zagreva vodu do podešene temperature. temperatura.

Solarni kolektor radi tokom cijele godine i obezbjeđuje potrošača toplu vodu, a jedinica niskotemperaturnog podnog grijanja sa toplotnom pumpom (HP) i bunarom izmjenjivača topline dubine 100–200 m pušta se u rad samo za vrijeme grijanja. sezone.

U HP ciklusu, hladna voda sa temperaturom od 5 ◦ C spušta se u prsten bunara izmenjivača toplote i uklanja toplotu niskog kvaliteta iz okolne stene. Zatim se voda, u zavisnosti od dubine bunara, zagreva na temperaturu od 10–15 ◦ C i uzdiže se kroz centralni stub cevi na površinu. Da bi se spriječio obrnuti tok topline, središnji stup je toplinski izoliran izvana. Na površini voda iz bunara ulazi u HP isparivač, gdje se zagrijava i isparava radno sredstvo niskog ključanja. Nakon isparivača, ohlađena voda se ponovo šalje u bunar. Tokom perioda grijanja, uz konstantnu cirkulaciju vode u bunaru, stijena oko bunara se postepeno hladi.

Proračunske studije pokazuju da radijus fronta hlađenja tokom perioda grejanja može da dostigne 5-7 m. Tokom perioda između grejanja, kada je sistem grejanja isključen, dolazi do delimičnog (do 70%) obnavljanja temperaturnog polja oko bušotina nastaje zbog priliva toplote iz stijena izvan zone hlađenja; Nije moguće postići potpunu obnovu temperaturnog polja oko bušotine tokom njenog zastoja.

Solarni kolektori se ugrađuju na osnovu zimski period rad sa sistemom kada je sunčeva svjetlost minimalna. Ljeti se dio tople vode iz rezervoara šalje u bunar kako bi se potpuno povratila temperatura u stijeni oko bunara.

Tokom međugrejnog perioda ventili 13 i 14 su zatvoreni, a sa otvorenim ventilima 15 i 16, topla voda iz akumulacionog rezervoara se pumpa cirkulacijskom pumpom u anulus bunara, gde se, spuštajući se, razmenjuje toplota sa stena koja okružuje bunar. Zatim se ohlađena voda šalje nazad u rezervoar za skladištenje kroz centralni, termički izolovani stub. U toku grejne sezone, naprotiv, ventili 13 i 14 su otvoreni, a ventili 15 i 16 zatvoreni.

U predloženom tehnološkom sistemu, potencijal sunčeve energije se koristi za zagrijavanje vode u sistemu za vodosnabdijevanje i kamenja oko bunara u sistemu niskotemperaturnog grijanja. Rekuperacija toplote u kamenu omogućava da sistem za snabdevanje toplotom radi u ekonomski optimalnom režimu.

Solarne termoelektrane

Sunce je značajan izvor energije na planeti Zemlji. Solarna energija vrlo često postaje predmetom raznih rasprava. Čim se pojavi projekat za novu solarnu elektranu, postavljaju se pitanja efikasnosti, kapaciteta, obima uloženih sredstava i rokova otplate.

Postoje naučnici koji solarne termoelektrane vide kao prijetnju okolišu. Ogledala koja se koriste u termo solarnim elektranama jako zagrijavaju zrak, što dovodi do klimatskih promjena i uginuća ptica koje lete. Uprkos tome, poslednjih godina sunčano termoelektrane postaju sve rasprostranjeniji. 1984. godine počela je sa radom prva solarna elektrana u blizini kalifornijskog grada Cramer Junction u pustinji Mojabe (slika 6.1). Stanica se zove sistem za generisanje solarne energije ili skraćeno SEGS.

Rice. 6.1. Solarna elektrana u pustinji Mojabe

U ovoj elektrani solarno zračenje se koristi za proizvodnju pare, koja rotira turbinu i proizvodi električnu energiju. Proizvodnja solarne toplinske energije u velikim razmjerima je prilično konkurentna. Trenutno su američke energetske kompanije već izgradile solarne termoelektrane ukupne instalisane snage više od 400 MW, koje obezbjeđuju struju za 350.000 ljudi i zamjenjuju 2,3 miliona barela nafte godišnje. Devet elektrana koje se nalaze u pustinji Mojabe imaju 354 MW instalirane snage. Projekti korištenja solarne topline za proizvodnju električne energije također će uskoro početi u drugim regijama svijeta. Indija, Egipat, Maroko i Meksiko razvijaju odgovarajuće programe. Grantove za njihovo finansiranje obezbjeđuje Globalni fond za životnu sredinu (GEF). U Grčkoj, Španiji i SAD-u razvijaju se novi projekti nezavisnih proizvođača električne energije.

Prema načinu proizvodnje topline, solarne termoelektrane se dijele na solarni koncentratori(ogledala) i solarni ribnjaci.

Solarni koncentratori

Termalne solarne elektrane koncentrišu sunčevu energiju pomoću sočiva i reflektora. Budući da se ova toplota može skladištiti, takva postrojenja mogu proizvesti električnu energiju po potrebi, danju ili noću, po bilo kojem vremenu. Velika ogledala - sa tačkastim ili linearnim fokusom - koncentrirana sunčeve zrake do tačke u kojoj se voda pretvara u paru, oslobađajući dovoljno energije za okretanje turbine. Ovi sistemi mogu pretvoriti solarnu energiju u električnu sa efikasnošću od oko 15%. Sve termoelektrane, osim solarnih bara, koriste koncentratore za postizanje visokih temperatura, koje reflektuju svjetlost Sunca sa veće površine na manju površinu prijemnika. Tipično, takav sistem se sastoji od koncentratora, prijemnika, rashladnog sredstva, sistema za skladištenje i sistema za prenos energije. Moderne tehnologije uključuju paraboličke koncentratore, solarna parabolična ogledala i solarne tornjeve. Mogu se kombinovati sa postrojenjima za sagorevanje fosilnih goriva i, u nekim slučajevima, prilagođeni za termalno skladištenje. Glavna prednost takve hibridizacije i termalnog skladištenja je da takva tehnologija može obezbijediti dispečebilnu proizvodnju električne energije, odnosno električnu energiju može proizvesti u trenucima kada je to potrebno. Hibridizacija i termalno skladištenje mogu povećati ekonomsku vrijednost proizvedene električne energije i smanjiti njenu prosječnu cijenu.

Solarne instalacije sa paraboličnim koncentratorom

Neke termalne solarne elektrane koriste parabolična ogledala koja koncentrišu sunčevu svjetlost na prijemne cijevi koje sadrže rashladnu tekućinu. Ova tečnost se zagreva na skoro 400ºC i pumpa kroz niz izmenjivača toplote; ovo proizvodi pregrijanu paru koja pokreće konvencionalni turbogenerator za proizvodnju električne energije. Da bi se smanjio gubitak topline, prijemna cijev može biti okružena prozirnom bojom staklena cijev, postavljen duž žarišne linije cilindra. Obično takve instalacije uključuju jednoosne ili dvoosne solarne sisteme za praćenje. U rijetkim slučajevima oni su stacionarni (slika 6.2).

Rice. 6.2. Solarna instalacija sa paraboličnim koncentratorom

Procjene ove tehnologije pokazuju veću cijenu proizvedene električne energije od ostalih solarnih termoelektrana. To je zbog niske koncentracije sunčevog zračenja i nižih temperatura. Međutim, s više radnog iskustva, poboljšanom tehnologijom i nižim operativnim troškovima, parabolički koncentratori mogu biti najjeftinija i najpouzdanija tehnologija u bliskoj budućnosti.

Solarna elektrana tipa tanjira

Solarne instalacije tip diska su baterija paraboličkih ogledala sličnog oblika satelitskoj anteni, koja fokusiraju sunčevu energiju na prijemnike koji se nalaze u fokusnoj tački svake antene (slika 6.3). Tečnost u prijemniku se zagreva na 1000ºC i direktno se koristi za proizvodnju električne energije u malom motoru i generatoru spojenom na prijemnik.

Rice. 6.3. Solarna instalacija tipa tanjira

Visoka optička efikasnost i niski početni troškovi čine sisteme ogledala/motora najefikasnijim od svih solarnih tehnologija. Sistem Stirling motora i paraboličnog ogledala drži svjetski rekord u efikasnosti pretvaranja sunčeve energije u električnu. Godine 1984., Rancho Mirage, Kalifornija, postigao je praktičnu efikasnost od 29%. Zahvaljujući modularnom dizajnu, takvi sistemi jesu najbolja opcija kako bi se zadovoljile potrebe za električnom energijom i za autonomne potrošače i za hibridne potrošače koji rade na zajedničkoj mreži.

Solarne elektrane toranjskog tipa

Solarne elektrane tipa toranj sa centralnim prijemnikom Solarne elektrane tipa toranj sa centralnim prijemnikom koriste rotirajuće polje reflektora heliostata. Oni fokusiraju sunčevu svetlost na centralni prijemnik izgrađen na vrhu tornja, koji apsorbuje toplotnu energiju i pokreće turbogenerator (slika 6.4, slika 6.5).

Rice. 6.4. Solarna elektrana toranjskog tipa sa centralnim prijemnikom

Kompjuterski kontrolisan biaksijalni sistem za praćenje postavlja heliostate tako da reflektovani zraci sunca miruju i uvek padaju na prijemnik. Tečnost koja cirkuliše u prijemniku prenosi toplotu na akumulator toplote u obliku pare. Para vrti turbinu za proizvodnju električne energije ili se koristi direktno u industrijskim procesima. Temperature prijemnika se kreću od 500 do 1500 ºC. Zahvaljujući skladištenju topline, toranjske elektrane su postale jedinstvena solarna tehnologija koja omogućava proizvodnju električne energije prema unaprijed određenom rasporedu.

Rice. 6.5. Solarni toranj elektrane "Solar Two" u Kaliforniji

Sunny Ponds

Ni ogledala za fokusiranje niti solarne fotonaponske ćelije ne mogu generirati energiju noću. U tu svrhu, solarna energija akumulirana tokom dana mora biti uskladištena u rezervoarima za skladištenje toplote. Ovaj proces se prirodno odvija u takozvanim solarnim ribnjacima (slika 6.6).

Rice. 6.6. Dijagram dizajna solarnog ribnjaka
1. Visoka koncentracija soli. 2. Srednji sloj. 3. Niska koncentracija soli. 4. Hladna voda „unutra“, a topla voda „napolje“

Solarni ribnjaci imaju visoku koncentraciju soli u donjem sloju vode, nekonvektivni srednji sloj vode u kojem koncentracija soli raste s dubinom i konvektivni sloj sa niskom koncentracijom soli na površini. Sunčeva svjetlost pada na površinu ribnjaka, a toplina se zadržava u donjim slojevima vode zbog visoke koncentracije soli. Voda visokog saliniteta, zagrijana sunčevom energijom koju apsorbira dno ribnjaka, ne može se dići zbog svoje velike gustine. Ostaje na dnu ribnjaka, postepeno se zagrijava dok gotovo ne proključa. "salamurnica" sa vrućim dnom koristi se danju ili noću kao izvor toplote, zahvaljujući čemu posebna organska rashladna turbina može proizvoditi električnu energiju. Srednji sloj solarnog ribnjaka djeluje kao toplinska izolacija, sprječavajući konvekciju i gubitak topline od dna prema površini. Temperaturna razlika između dna i površine ribnjaka dovoljna je za napajanje generatora. Rashladna tečnost, koja prolazi kroz cijevi kroz donji sloj vode, ulazi dalje u zatvoreni sistem Rankine, u kojem se turbina rotira kako bi proizvela električnu energiju.

Prednosti i nedostaci solarnih termoelektrana

Solarne elektrane tipa toranj sa centralnim prijemnikom i solarne elektrane sa paraboličnim koncentratorima optimalno rade u sklopu velikih, mrežno povezanih elektrana snage 30-200 MW, dok se solarne elektrane tipa ploče sastoje od modula i mogu mogu se koristiti kako u samostalnim instalacijama tako iu grupama zajedničkih kapaciteta od nekoliko megavata.

Tabela 6.1 Karakteristike solarnih termoelektrana

Solarni parabolički koncentratori su danas najnaprednija tehnologija solarne energije i vjerovatno će se koristiti u bliskoj budućnosti. Toranjske elektrane sa centralnim prijemnikom, zbog svog efikasnog kapaciteta skladištenja toplote, mogu postati i solarne elektrane bliske budućnosti. Modularna priroda jedinica tipa nosača omogućava im da se koriste u malim instalacijama. Solarne elektrane tipa toranj sa centralnim prijemnikom i instalacijama tipa tanjura omogućavaju postizanje većih vrijednosti efikasnosti za pretvaranje sunčeve energije u električnu energiju po nižoj cijeni od elektrana sa solarnim paraboličnim koncentratorima. U tabeli Tabela 6.1 prikazuje glavne karakteristike tri opcije za proizvodnju solarne termalne energije.

U prosjeku za godinu, u zavisnosti od klimatskih uslova i geografske širine područja, fluks sunčevog zračenja na površinu zemlje kreće se od 100 do 250 W/m2, dostižući vršne vrijednosti u podne uz vedro nebo, na gotovo svakom mjestu. (bez obzira na geografsku širinu), oko 1.000 W/m2. U uslovima srednja zona U Rusiji, sunčevo zračenje „donosi“ na površinu zemlje energiju koja je ekvivalentna otprilike 100-150 kg standardnog goriva po m 2 godišnje.

Matematičko modeliranje najjednostavnijeg solarnog instalacija za grijanje vode, sprovedena u Institutu za visoke temperature Ruske akademije nauka koristeći moderne softver a podaci iz tipične vremenske godine pokazali su to u stvarnosti klimatskim uslovima U centralnoj Rusiji preporučljivo je koristiti sezonske ravne solarne bojlere koji rade od marta do septembra. Za instalaciju sa odnosom površine solarnog kolektora i zapremine rezervoara od 2 m 2 /100 l, verovatnoća dnevnog zagrevanja vode tokom ovog perioda na temperaturu od najmanje 37 °C je 50-90% , do temperature od najmanje 45°C - 30-70%, do temperature od najmanje 55°C - 20-60%. Maksimalne vrijednosti vjerovatnoće se odnose na ljetne mjesece.

„Vaša solarna kuća“ razvija, sastavlja i snabdeva sisteme sa pasivnom i aktivnom cirkulacijom rashladne tečnosti. Opis ovih sistema možete pronaći u odgovarajućim odjeljcima naše web stranice. Naručivanje i kupovina se vrši putem.

Često se postavlja pitanje da li je moguće koristiti solarne sisteme za grijanje u ruskim uvjetima. Na ovu temu napisan je poseban članak - “Podrška solarnom grijanju”

nastavi čitati

Solarni termalni sistemi

4.1. Klasifikacija i glavni elementi solarnih sistema

Solarni sistemi grijanja su sistemi koji koriste sunčevo zračenje kao izvor toplinske energije. Njihova karakteristična razlika od ostalih niskotemperaturnih sistema grijanja je upotreba posebnog elementa - solarnog prijemnika, dizajniranog da hvata sunčevo zračenje i pretvara ga u toplinsku energiju.

Prema načinu korištenja sunčevog zračenja, solarni niskotemperaturni sustavi grijanja dijele se na pasivne i aktivne.

Pasivni solarni sistemi grijanja su oni kod kojih sama zgrada ili njena pojedinačna kućišta (zgrada-kolektor, zid-kolektor, krov-kolektor itd.) služe kao element koji prima sunčevo zračenje i pretvara ga u toplinu (slika 4.1.1. )).

Rice. 4.1.1 Pasivni niskotemperaturni solarni sistem grijanja “zidni kolektor”: 1 – solarni zraci; 2 – prozirni ekran; 3 – vazdušna klapna; 4 – zagrejan vazduh; 5 – ohlađeni vazduh iz prostorije; 6 – sopstveno dugotalasno toplotno zračenje zidne mase; 7 – crna površina zida za prijem zraka; 8 – roletne.

Aktivni su solarni niskotemperaturni sistemi grijanja u kojima je solarni prijemnik samostalan zaseban uređaj koji nije povezan sa zgradom. Aktivni solarni sistemi se mogu podijeliti na:

po namjeni (opskrba toplom vodom, sistemi grijanja, kombinovani sistemi za opskrbu toplinom i hladnoćom);

prema vrsti rashladnog sredstva koje se koristi (tečnost - voda, antifriz i vazduh);

po trajanju rada (celogodišnje, sezonsko);

o tehničkom rješenju strujnih kola (jedno-, dvo-, višestruka).

Voda je toplotno intenzivno i široko dostupno rashladno sredstvo. Međutim, na temperaturama ispod 0°C potrebno je dodati antifriz. Osim toga, mora se uzeti u obzir da voda zasićena kisikom uzrokuje koroziju cjevovoda i opreme. Ali potrošnja metala u solarnim sistemima za vodu je znatno manja, što uvelike doprinosi njihovoj široj upotrebi.

Solarni sistemi grijanja zgrada su obično dvokružni ili najčešće višekružni, a za različite krugove se mogu koristiti različita rashladna sredstva (na primjer, u solarnom krugu - vodene otopine tekućina koje se ne smrzavaju, u međukrugovima - voda, au krugu potrošača - zrak).

Kombinovani cjelogodišnji solarni sistemi za potrebe opskrbe zgradama toplinom i hladnoćom su višekružni i uključuju dodatni izvor topline u obliku tradicionalnog generatora topline na fosilna goriva ili toplotnog transformatora.

Šematski dijagram solarnog sistema grijanja prikazan je na slici 4.1.2. Uključuje tri cirkulacijska kruga:

prvi krug, koji se sastoji od solarnih kolektora 1, cirkulacione pumpe 8 i tečnog izmjenjivača topline 3;

drugi krug, koji se sastoji od spremnika 2, cirkulacijske pumpe 8 i izmjenjivača topline 3;

treći krug, koji se sastoji od rezervoara 2, cirkulacione pumpe 8, vodo-vazduh izmjenjivača topline (grijača) 5.

Rice. 4.1.2. Šematski dijagram solarnog sistema grijanja: 1 – solarni kolektor; 2 – rezervoar za skladištenje; 3 – izmenjivač toplote; 4 – zgrada; 5 – grejač; 6 – rezervni sistem grejanja; 7 – rezervni sistem tople vode; 8 – cirkulaciona pumpa; 9 – ventilator.

Za grejanje, voda iz akumulacionog rezervoara 2 se preko pumpe trećeg kola 8 dovodi do grejača 5, kroz koji se vazduh uz pomoć ventilatora 9 propušta i kada se zagreva ulazi u zgradu 4. U nedostatku solarne energije zračenja ili nedostatka toplotne energije koju generišu solarni kolektori, rezervni 6 je uključen.

Izbor i raspored elemenata solarnog sistema grijanja u svakom konkretnom slučaju određuju se klimatskim faktorima, namjenom objekta, režimom potrošnje topline i ekonomskim pokazateljima.

4.2. Koncentracioni solarni prijemnici

Koncentracioni solarni prijemnici su sferna ili parabolična ogledala (slika 4.2.1), izrađena od poliranog metala, u čijem fokusu je postavljen element za primanje toplote (solarni bojler) kroz koji cirkuliše rashladna tečnost. Voda ili tekućine koje se ne smrzavaju koriste se kao rashladno sredstvo. Kada koristite vodu kao rashladnu tečnost noću i tokom hladnih perioda, sistem se mora isprazniti kako bi se sprečilo smrzavanje.

Da bi se osigurala visoka efikasnost procesa hvatanja i pretvaranja sunčevog zračenja, koncentrirani solarni prijemnik mora biti stalno usmjeren striktno prema Suncu. U tu svrhu, solarni prijemnik je opremljen sistemom za praćenje, uključujući senzor smjera prema Suncu, elektroničku jedinicu za konverziju signala i elektromotor sa mjenjačem za rotaciju strukture solarnog prijemnika u dvije ravni.

Rice. 4.2.1. Koncentracioni solarni prijemnici: a – parabolički koncentrator; b – parabolički cilindrični koncentrator; 1 – sunčevi zraci; 2 – element za prijem toplote (solarni kolektor); 3 – ogledalo; 4 – pogonski mehanizam sistema za praćenje; 5 – cjevovodi za dovod i ispuštanje rashladnog sredstva.

Prednost sistema sa koncentrisanim solarnim prijemnicima je mogućnost stvaranja toplote na relativno visokoj temperaturi (do 100 °C), pa čak i pare. Nedostaci uključuju visoku cijenu strukture; potreba za stalnim čišćenjem reflektirajućih površina od prašine; rade samo tokom dana, a samim tim i potreba za velikim baterijama; veliki troškovi energije za pokretanje solarnog sistema za praćenje, srazmerno proizvedenoj energiji. Ovi nedostaci ometaju široku upotrebu aktivnih niskotemperaturnih solarnih sistema grijanja sa koncentriranim solarnim prijemnicima. U posljednje vrijeme za solarne niskotemperaturne sisteme grijanja najčešće se koriste ravni solarni prijemnici.

4.3. Plosnati solarni kolektori

Ravni solarni kolektor je uređaj s ravnom konfiguracijom apsorbirajuće ploče i ravnom prozirnom izolacijom za upijanje energije sunčevog zračenja i pretvaranje iste u toplinu.

Pločasti solarni kolektori (slika 4.3.1) sastoje se od staklenog ili plastičnog premaza (jednostruki, dvostruki, trostruki), panela koji prima toplinu obojenog u crno na strani okrenutoj prema suncu, izolacije na poleđini i kućišta ( metal, plastika, staklo, drvo).

Rice. 4.3.1. Ravan solarni kolektor: 1 – sunčevi zraci; 2 – zastakljivanje; 3 – tijelo; 4 – površina za primanje toplote; 5 – toplotna izolacija; 6 – pečat; 7 – sopstveno dugotalasno zračenje toplotne ploče.

Pod utjecajem sunčevog zračenja, paneli koji primaju toplinu zagrijavaju se do temperature od 70-80°C, što prelazi temperaturu okoline, što dovodi do povećanja konvektivnog prijenosa topline panela u okolinu i vlastitog zračenja prema nebu. . Za postizanje viših temperatura rashladnog sredstva, površina ploče je prekrivena spektralno-selektivnim slojevima koji aktivno apsorbiraju kratkovalno zračenje sunca i smanjuju vlastito toplinsko zračenje u dugovalnom dijelu spektra. Takvi dizajni na bazi "crnog nikla", "crnog kroma", bakrenog oksida na aluminiju, bakrenog oksida na bakru i drugih su skupi (njihov trošak je često usporediv s cijenom same ploče za primanje topline). Drugi način za poboljšanje performansi ravnih kolektora je stvaranje vakuuma između panela koji prima toplinu i prozirne izolacije kako bi se smanjili gubici topline (četvrta generacija solarnih kolektora).

Iskustvo u radu solarnih instalacija baziranih na solarnim kolektorima otkrilo je niz značajnih nedostataka ovakvih sistema. Prije svega, ovo je visoka cijena kolektora. Povećanje efikasnosti njihovog rada selektivnim premazima, povećanje transparentnosti zastakljivanja, evakuacija, kao i ugradnja sistema za hlađenje pokazuju se ekonomski neisplativim. Značajan nedostatak je potreba za čestim čišćenjem stakla od prašine, što praktički isključuje upotrebu kolektora u industrijskim područjima. Tokom dugotrajnog rada solarnih kolektora, posebno u zimskim uvjetima, uočava se njihov čest kvar zbog neravnomjernog širenja osvijetljenih i zamračenih površina stakla zbog narušavanja integriteta stakla. Takođe postoji veliki procenat kolektora koji kvare tokom transporta i montaže. Značajan nedostatak operativnih sistema sa kolektorima je i neravnomjerno opterećenje tokom cijele godine i dana. Iskustvo u radu kolektora u Evropi i evropskom dijelu Rusije sa visokim udjelom difuznog zračenja (do 50%) pokazalo je nemogućnost stvaranja cjelogodišnjeg autonomnog sistema vodosnabdijevanja i grijanja. Svi solarni sistemi sa solarnim kolektorima u srednjim geografskim širinama zahtevaju ugradnju rezervoara velike zapremine i uključivanje dodatnog izvora energije u sistem, što smanjuje ekonomski efekat njihovog korišćenja. S tim u vezi, najpoželjnije ih je koristiti u područjima sa visokim prosječnim intenzitetom sunčevog zračenja (ne manjim od 300 W/m2).

Potencijalne mogućnosti korištenja solarne energije u Ukrajini

Na teritoriji Ukrajine energija sunčevog zračenja za jedan prosječan godišnji dnevni sat iznosi u prosjeku 4 kW ∙ sat po 1m2 (u ljetnim danima - do 6 - 6,5 kW ∙ sat), odnosno oko 1,5 hiljada kW ∙ sat godišnje za svaki kvadratnom metru. To je otprilike isto kao u srednjoj Evropi, gdje je korištenje solarne energije najšire.

Pored povoljnih klimatskih uslova, Ukrajina ima visoko kvalifikovan naučni kadar u oblasti korišćenja solarne energije. Nakon povratka prof. Boyko B.T. iz UNESCO-a, gdje je vodio UNESCO-ov međunarodni program o korišćenju sunčeve energije (1973-1979), započeo je intenzivne naučne i organizacione aktivnosti na Harkovskom politehničkom institutu (danas Nacionalni tehnički univerzitet - KhPI) o razvoju novog naučnog i obrazovnog pravca nauke o materijalima za solarnu energiju. Već 1983. godine, u skladu sa naredbom Ministarstva visokog obrazovanja SSSR-a br. 885 od 13. jula 1983. godine, po prvi put u praksi visokog obrazovanja u SSSR-u, Harkovski politehnički institut je započeo obuku inženjera fizičara sa profilom u oblasti nauke o materijalima za solarnu energiju u okviru specijalnosti „Fizika metala“. Ovo je postavilo temelje za stvaranje 1988. godine diplomskog odsjeka “Nauka o fizičkim materijalima za elektroniku i solarnu energiju” (PMEG). Odeljenje FMEG, u saradnji sa Istraživačkim institutom za tehnologiju inžinjeringa instrumenata (Kharkov), u okviru ukrajinskog svemirskog programa, učestvovalo je u stvaranju efikasnih silicijumskih solarnih ćelija. 13 - 14% za ukrajinske svemirske letjelice.

Od 1994. godine odsjek FMEG, uz podršku Univerziteta u Štutgartu i Evropske zajednice, kao i Tehničkog univerziteta u Cirihu i Švicarskog nacionalnog naučnog društva, aktivno je uključen u naučna istraživanja razvoja filmskih fotonaponskih ćelija.

Za šta se koriste termalni solarni kolektori? Gdje se mogu koristiti - područja primjene, mogućnosti primjene, prednosti i nedostaci kolektora, tehničke karakteristike, efikasnost. Da li je to moguće uraditi sami i koliko je to opravdano? Šeme primjene i izgledi.

Svrha

Kolekcionar i solarna baterija dva različita uređaja. Baterija koristi konverziju sunčeve energije u električnu energiju, koja se pohranjuje u baterijama i koristi za kućne potrebe. Solarni kolektori, poput toplotne pumpe, dizajnirani su za prikupljanje i akumulaciju ekološki prihvatljive energije Sunca, čija se konverzija koristi za zagrijavanje vode ili grijanje. IN industrijske razmjere Solarne termoelektrane, koje pretvaraju toplotu u električnu energiju, postale su široku upotrebu.

Uređaj

Kolektori se sastoje od tri glavna dijela:

paneli;
prednja kamera;
rezervoar za skladištenje.

Paneli su predstavljeni u obliku cjevastog radijatora smještenog u kutiji sa vanjskim zidom od stakla. Moraju se postaviti na bilo koje dobro osvijetljeno mjesto. Tečnost ulazi u panelni radijator, koji se zatim zagreva i pomera u prednju komoru, gde se hladna voda zamenjuje toplom, što stvara konstantan dinamički pritisak u sistemu. U tom slučaju hladna tečnost ulazi u radijator, a vruća tečnost ulazi u rezervoar.

Standardne ploče se lako prilagođavaju svim uvjetima. Koristeći posebne montažne profile, mogu se ugraditi paralelno jedan s drugim u nizu u neograničenom broju. Rupe su izbušene u aluminijumskim montažnim profilima i pričvršćene za panele odozdo vijcima ili zakovicama. Kada se završe, solarni apsorberski paneli, zajedno sa montažnim profilima, čine jednu čvrstu strukturu.

Solarni sistem grijanja je podijeljen u dvije grupe: hlađeni zrakom i hlađeni tekućinom. Kolektori hvataju i apsorbuju zračenje i pretvarajući ga u toplotnu energiju, prenose je na element za skladištenje, iz kojeg se toplota distribuira po prostoriji. Bilo koji sistem se može dopuniti pomoćna oprema(cirkulacijska pumpa, senzori pritiska, sigurnosni ventili).

Princip rada

Tokom dana, toplotno zračenje se prenosi na rashladnu tečnost (vodu ili antifriz) koja cirkuliše kroz kolektor. Zagrijana rashladna tekućina prenosi energiju u spremnik bojlera koji se nalazi iznad njega i prikuplja vodu za dovod tople vode. U jednostavnoj verziji voda cirkulira prirodno zbog razlike u gustoći tople i hladne vode u krugu, a posebna pumpa se koristi kako bi se osiguralo da cirkulacija ne prestane. Cirkulaciona pumpa dizajniran za aktivno pumpanje tekućine kroz konstrukciju.

U složenijoj verziji, kolektor je uključen u poseban krug napunjen vodom ili antifrizom. Pumpa im pomaže da počnu cirkulirati, prenoseći uskladištenu sunčevu energiju u toplinski izolirani spremnik, koji omogućava pohranjivanje i vraćanje topline kada je to potrebno. Ako nema dovoljno energije, električni ili plinski grijač predviđen u dizajnu spremnika automatski se uključuje i održava potrebnu temperaturu.

Vrste

Oni koji žele da imaju solarni sistem grijanja u svom domu moraju se prvo odlučiti za najprikladniji tip kolektora.

Kolektor ravnog tipa

Predstavljen u obliku zatvorene kutije kaljeno staklo, i ima poseban sloj koji apsorbira sunčevu toplinu. Ovaj sloj je povezan sa cijevima kroz koje cirkulira rashladna tekućina. Kako više energije primiće, to je veća njegova efikasnost. Smanjenje toplotnih gubitaka u samom panelu i osiguranje najveće apsorpcije toplote na pločama apsorbera omogućava maksimalno prikupljanje energije. U nedostatku stagnacije, ravni kolektori mogu zagrijati vodu do 200 °C. Namijenjeni su za grijanje vode u bazenima, kućne potrebe i grijanje kuće.

Razdjelnik vakuumskog tipa

Sastoji se od staklenih baterija (serija šupljih cijevi). Vanjska baterija ima prozirnu površinu, a unutrašnja je prekrivena posebnim slojem koji zadržava zračenje. Vakumski sloj između unutrašnjih i vanjskih baterija pomaže u uštedi oko 90% apsorbirane energije. Toplotni provodnici su posebne cijevi. Kada se ploča zagrije, tekućina koja se nalazi na dnu baterije pretvara se u paru, koja se diže i prenosi toplinu na kolektor. Ovaj tip sistema ima veću efikasnost u odnosu na ravne kolektore, jer se može koristiti kada niske temperature i u uslovima slabog osvetljenja. Vakuumska solarna baterija omogućava zagrijavanje rashladne tekućine na 300 °C, korištenjem višeslojnog staklenog premaza i stvaranjem vakuuma u kolektorima.

Toplinska pumpa

Solarni termalni sistemi rade najefikasnije sa uređajem kao što je toplotna pumpa. Dizajniran za prikupljanje energije iz okoline, bez obzira na vremenske uslove, i može se instalirati unutar kuće. Izvor energije ovdje može biti voda, zrak ili tlo. Toplotna pumpa može raditi koristeći samo solarne kolektore ako ima dovoljno solarne energije. Kada koristite kombinovani sistem toplotne pumpe i solarnog kolektora, tip kolektora nije bitan, već je najbitniji odgovarajuća opcija postojat će solarna vakuumska baterija.

sta je bolje

Solarni sistem grijanja može se ugraditi na bilo koju vrstu krova. Ravni kolektori smatraju se izdržljivijim i pouzdanijim, za razliku od vakuumskih kolektora, čiji je dizajn krhkiji. Međutim, ako je ravni kolektor oštećen, mora se zamijeniti cijeli apsorpcijski sistem, dok se kod vakuumskog kolektora mora zamijeniti samo oštećena baterija.

Efikasnost vakuumskog razvodnika je mnogo veća od one ravnog razvodnika. Mogu se koristiti u zimsko vrijeme i proizvode više energije po oblačnom vremenu. Toplotna pumpa je postala prilično raširena, unatoč visokoj cijeni. Brzina proizvodnje energije vakuumskih kolektora ovisi o veličini cijevi. Normalno, dimenzije cijevi trebaju biti prečnika 58 mm s dužinom od 1,2-2,1 metara. Prilično je teško sami instalirati kolektor. Međutim, posjedovanje određenih znanja, kao i praćenje detaljna uputstva instalacija i odabir lokacije sistema navedenog prilikom kupovine opreme značajno će pojednostaviti zadatak i pomoći u donošenju solarnog grijanja u kuću.