Sikkerhetsregler for solvarmeanlegg. Solvarme: varmtvannsforsyning og oppvarming

Klassifisering og hovedelementer i solsystemer

Solvarmeanlegg er systemer som bruker solstråling som en kilde til termisk energi. Deres karakteristiske forskjell fra andre systemer er lav temperatur oppvarming er bruken av et spesielt element - en solmottaker, designet for å fange solstråling og konvertere den til Termisk energi.

I henhold til metoden for å bruke solstråling, er solvarmesystemer med lav temperatur delt inn i passive og aktive.

Passive solvarmesystemer er de der selve bygningen eller dens individuelle innkapslinger (bygningskollektor, veggsamler, takkollektor, etc.) tjener som et element som mottar solstråling og omdanner den til varme (fig. 3.4)) .

Ris. 3.4. Passivt lavtemperatur solvarmesystem "veggkollektor": 1 – solstråler; 2 - gjennomskinnelig skjerm; 3 - luftspjeld; 4 - oppvarmet luft; 5 - avkjølt luft fra rommet; 6 - egen langbølget termisk stråling av veggmassen; 7 - svart strålemottakende overflate på veggen; 8 – persienner.

Aktive er solvarmesystemer med lav temperatur der solmottakeren er en uavhengig separat enhet som ikke er relatert til bygningen. Aktive solsystemer kan deles inn:

- etter formål (varmtvannsforsyning, varmesystemer, kombinerte systemer for varme- og kuldeforsyningsformål);

- etter type kjølevæske som brukes (væske - vann, frostvæske og luft);

- etter arbeidets varighet (helårs, sesongbasert);

- i henhold til den tekniske løsningen av kretser (en-, to-, multi-krets).

Vann er en varmekrevende og allment tilgjengelig kjølevæske. Ved temperaturer under 0°C er det imidlertid nødvendig å tilsette frostvæske. I tillegg må det tas hensyn til at vann mettet med oksygen forårsaker korrosjon av rørledninger og utstyr. Men metallforbruket i solenergisystemer er mye lavere, noe som i stor grad bidrar til deres bredere bruk.

Sesongbaserte solvarmeforsyningssystemer er vanligvis enkrets og fungerer i sommer- og overgangsmånedene, i perioder med positive utetemperaturer. De kan ha en ekstra varmekilde eller klare seg uten den, avhengig av formålet med det betjente objektet og driftsforholdene.

Solvarmesystemer for bygninger er vanligvis dobbeltkrets eller som oftest multikrets, og forskjellige kjølevæsker kan brukes til forskjellige kretsløp (for eksempel i solkretsen - vandige løsninger av ikke-frysende væsker, i mellomkretsene - vann, og i forbrukerkretsen - luft).

Kombinerte helårs solcelleanlegg for varme- og kuldeforsyning til bygninger er flerkrets og inkluderer en ekstra varmekilde i form av en tradisjonell varmegenerator som går på fossilt brensel eller en varmetransformator.

Et skjematisk diagram av solvarmesystemet er vist i fig. 3.5. Den inkluderer tre sirkulasjonskretser:

- den første kretsen, bestående av solfangere 1, sirkulasjonspumpe 8 og væskevarmeveksler 3;

- den andre kretsen, bestående av en lagertank 2, en sirkulasjonspumpe 8 og en varmeveksler 3;

- den tredje kretsen, bestående av en lagringstank 2, en sirkulasjonspumpe 8, en vann-luft varmeveksler (varmer) 5.

Ris. 3.5. Skjematisk diagram av solvarmesystemet: 1 – solfanger; 2 - lagringstank; 3 - varmeveksler; 4 - bygning; 5 - varmeapparat; 6 - backup av varmesystem; 7 - backup av varmtvannsforsyningssystem; 8 - sirkulasjonspumpe; 9 – vifte.

For oppvarming tilføres vann fra lagertanken 2 av den tredje kretspumpen 8 til varmeren 5, gjennom hvilken luft føres gjennom ved hjelp av en vifte 9 og når den er oppvarmet, kommer den inn i bygningen 4. I fravær av solenergi stråling eller mangel på termisk energi generert av solfangere, er backupen 6 slått på.

Valget og arrangementet av elementer i solvarmesystemet i hvert enkelt tilfelle bestemmes klimatiske faktorer, formål med objektet, varmeforbruksregime, økonomiske indikatorer.

Konsentrerende solcellemottakere

Konsentrerende solmottakere er sfæriske eller parabolske speil (fig. 3.6), laget av polert metall, i fokus som et varmemottakende element (solkjele) er plassert, gjennom hvilket kjølevæsken sirkulerer. Vann eller ikke-frysende væsker brukes som kjølevæske. Ved bruk av vann som kjølevæske om natten og i kalde perioder må systemet tømmes for å hindre at det fryser.

Å skaffe høy effektivitet Under prosessen med å fange og konvertere solstråling, må den konsentrerende solmottakeren konstant rettes strengt mot solen. For dette formålet er solmottakeren utstyrt med et sporingssystem, inkludert en retningssensor til solen, en elektronisk signalkonverteringsenhet og en elektrisk motor med girkasse for å rotere solmottakerstrukturen i to plan.

Fordelen med systemer med konsentrerende solcellemottakere er muligheten til å generere varme ved en relativt høy temperatur (opptil 100 °C) og jevn damp. Ulempene inkluderer de høye kostnadene ved strukturen; behovet for konstant å rengjøre reflekterende overflater fra støv; arbeid bare i dagslys, og derfor behovet for store batterier; store energikostnader for å drive solcellesporingssystemet, i forhold til energien som genereres. Disse ulempene hindrer den utbredte bruken av aktive lavtemperatur solvarmeanlegg med konsentrerte solmottakere. I det siste har flate solcellemottakere blitt oftest brukt til solvarmeanlegg med lav temperatur.

Flat solfangere

Flat solfanger er en enhet med en flat konfigurasjon som absorberer panel og flat gjennomsiktig isolasjon for å absorbere solstrålingsenergi og konvertere den til varme.

Flatplate solfangere (fig. 3.7) består av et glass- eller plastdeksel (enkelt, dobbel, trippel), et varmemottakspanel malt svart på den siden som vender mot solen, isolasjon på baksiden og et hus (metall, plast, glass, tre).

Ris. 3.6 Konsentrerende solcellemottakere: a – parabolsk konsentrator; b - parabolsk sylindrisk konsentrator; 1 - solstråler; 2 - varmemottakende element (solfanger); 3 - speil; 4 - sporingssystemets drivmekanisme; 5 – rørledninger som tilfører og tømmer kjølevæske.

Ris. 3.7. Flat solfanger: 1 – solstråler; 2 - glass; 3 - kropp; 4 - varmemottakende overflate; 5 - termisk isolasjon; 6 - forsegling; 7 – egen langbølget stråling av varmemottaksplaten.

Under påvirkning av solstråling varmes varmemottakende paneler opp til temperaturer på 70-80 ° C, og overskrider omgivelsestemperaturen, noe som fører til en økning i konvektiv varmeoverføring av panelet i miljø og sin egen stråling til himmelen. For å oppnå høyere kjølevæsketemperaturer er overflaten av platen dekket med spektral-selektive lag som aktivt absorberer kortbølget stråling fra solen og reduserer sin egen termiske stråling i den langbølgede delen av spekteret. Slike design basert på "svart nikkel", "svart krom", kobberoksid på aluminium, kobberoksid på kobber og andre er dyre (kostnadene deres er ofte sammenlignbare med kostnadene for selve varmemottakspanelet). En annen måte å forbedre ytelsen til flate platekollektorer på er å skape et vakuum mellom det varmemottakende panelet og den gjennomsiktige isolasjonen for å redusere varmetapet (fjerde generasjons solfangere).

Erfaring med drift av solcelleanlegg basert på solfangere har avdekket en rekke betydelige ulemper ved slike anlegg. Først av alt er dette den høye kostnaden for samlere. Å øke effektiviteten av driften gjennom selektive belegg, øke gjennomsiktigheten av glass, evakuering, samt installere et kjølesystem, viser seg å være økonomisk ulønnsomt. En betydelig ulempe er behovet for ofte å rengjøre glasset fra støv, noe som praktisk talt utelukker bruken av oppsamleren i industriområder. Under langvarig drift av solfangere, spesielt under vinterforhold, observeres deres hyppige svikt på grunn av ujevn utvidelse av opplyste og mørke områder av glass på grunn av brudd på integriteten til glasset. Det er også en stor prosentandel av samlere som svikter under transport og installasjon. En betydelig ulempe med operativsystemer med samlere er også ujevn belastning gjennom året og dagen. Erfaring med drift av solfangere i Europa og den europeiske delen av Russland med en høy andel diffus stråling (opptil 50%) har vist umuligheten av å lage et helårs autonomt varmtvannsforsyning og varmesystem. Alle solcelleanlegg med solfangere på middels breddegrader krever installasjon av store lagringstanker og inkludering av en ekstra energikilde i systemet, noe som reduserer den økonomiske effekten av bruken. I denne forbindelse er det mest tilrådelig å bruke dem i områder med høy gjennomsnittlig intensitet av solstråling (ikke lavere enn 300 W/m2).

Basert på bruk av solkraftverk kan problemene med oppvarming, kjøling og varmtvannsforsyning av boliger, administrative bygninger, industri- og landbruksanlegg løses. Solcelleanlegg har følgende klassifisering:

etter formål: varmtvannsforsyningssystemer; varmesystemer; kombinerte installasjoner for varme- og kuldeforsyningsformål;
etter type kjølevæske som brukes: væske; luft;
etter arbeidets varighet: året rundt; sesongmessige;
i henhold til den tekniske løsningen av kretsen: enkeltkrets; dobbel krets; flerkrets.

De mest brukte kjølevæskene i solvarmeanlegg er væsker (vann, etylenglykolløsning, organiske stoffer) og luft. Hver av dem har visse fordeler og ulemper. Luften fryser ikke, skaper ikke store problemer forbundet med lekkasjer og utstyrskorrosjon. På grunn av luftens lave tetthet og varmekapasitet er imidlertid størrelsen på luftinstallasjoner og strømforbruket for pumping av kjølevæske høyere enn for væskesystemer. Derfor foretrekker de fleste solvarmesystemer i drift væsker. For bolig- og fellesbehov er hovedkjølevæsken vann.

Ved drift av solfangere i perioder med negative utetemperaturer, er det nødvendig enten å bruke frostvæske som kjølevæske, eller på en eller annen måte unngå frysing av kjølevæsken (for eksempel ved rettidig drenering av vann, oppvarming, isolering av solfangeren).

Landlige hus, fleretasjes- og leilighetsbygg, sanatorier, sykehus og andre fasiliteter kan utstyres med helårs solenergi varmtvannsforsyningsenheter med en reservevarmekilde. Sesonginstallasjoner, som for eksempel dusjinstallasjoner for pionerleirer, pensjonater, flyttbare installasjoner for geologer, byggherrer, gjetere, fungerer vanligvis i sommer- og overgangsmånedene i året, i perioder med positive utetemperaturer. De kan ha en reservevarmekilde eller klare seg uten den, avhengig av type objekt og driftsforhold.

Kostnaden for varmtvannsforsyningsenheter for solenergi kan variere fra 5 til 15 % av kostnadene for anlegget og avhenger av klimatiske forhold, kostnadene for utstyr og graden av utviklingen.

I solcelleanlegg beregnet for varmeanlegg brukes både væsker og luft som kjølevæsker. I flerkrets solcelleanlegg kan forskjellige kjølevæsker brukes i forskjellige kretsløp (for eksempel vann i solkretsen, luft i distribusjonskretsen). I vårt land er solvannsinstallasjoner for varmeforsyning utbredt.

Overflatearealet til solfangere som kreves for varmesystemer er vanligvis 3-5 ganger overflatearealet til solfangere for varmtvannssystemer, så utnyttelsesgraden til disse systemene er lavere, spesielt om sommeren. Installasjonskostnaden for et varmesystem kan være 15-35 % av kostnaden for eiendommen.

Kombinerte systemer kan omfatte helårsinstallasjoner for oppvarming og varmtvannsforsyning, samt installasjoner som opererer i varmepumpe og et varmerør for oppvarming og kjøling. Disse systemene er ennå ikke mye brukt i industrien.

Fluktettheten av solstråling som kommer til overflaten av solfangeren bestemmer i stor grad de termiske konstruksjonene og tekniske og økonomiske indikatorene for solvarmesystemer.

Solstrålingens flukstetthet varierer gjennom dagen og gjennom året. Dette er en av karakteristiske trekk systemer som bruker solenergi, og ved utførelse av spesifikke ingeniørberegninger av solcelleinstallasjoner, er spørsmålet om valg av beregnet verdi av E avgjørende.

Som et designdiagram for et solvarmesystem, vurder diagrammet presentert i fig. 3.3, som gjør det mulig å ta hensyn til driftsfunksjonene til forskjellige systemer. Solfanger 1 omdanner solstrålingsenergi til varme, som overføres til lagertank 2 gjennom varmeveksler 3. Det er mulig å plassere varmeveksleren i selve lagertanken. Kjølevæskesirkulasjon leveres av en pumpe. Den oppvarmede kjølevæsken kommer inn i varmtvannsforsyningen og varmesystemene. Ved utilstrekkelig eller fraværende solinnstråling slås en reservevarmekilde for varmtvannsforsyning eller oppvarming på 5.

Fig.3.3. Diagram over solvarmesystemet: 1 - solfangere; 2 - lagringstank for varmt vann; 3 - varmeveksler; 4 - bygning med gulvvarme; 5 - backup (kilde til ekstra energi); 6 - passivt solsystem; 7 - småsteinsbatteri; 8 - dempere; 9 - vifte; 10 - flyt varm luft inn i bygningen; 11- tilførsel av resirkulert luft fra bygget

Solvarmesystemet bruker ny generasjon solfangere "Raduga" fra NPP "Konkurent" med forbedrede termiske egenskaper på grunn av bruk av et selektivt belegg på et varmeabsorberende panel laget av av rustfritt stål og et gjennomskinnelig belegg laget av spesielt slitesterkt glass med høye optiske egenskaper.

Systemet bruker som kjølevæske: vann ved positive temperaturer eller frostvæske under oppvarmingsperioden (solkrets), vann (andre krets av gulvvarme) og luft (tredje krets av luft solvarme).

En elektrisk kjele ble brukt som reservekilde.

Å øke effektiviteten til solenergisystemer kan oppnås ved bruk av ulike metoder akkumulering av termisk energi, rasjonell kombinasjon av solcelleanlegg med termiske kjelehus og varmepumpeenheter, kombinasjon av aktive og passive systemer, utvikling av effektive midler og metoder for automatisk styring.

Bruken av "grønn" energi levert av naturlige elementer kan redusere energikostnadene betydelig. Ved for eksempel å tilrettelegge solvarme til en privat bolig vil du forsyne lavtemperaturradiatorer og gulvvarmeanlegg med tilnærmet gratis kjølevæske. Enig, dette sparer allerede penger.

Du vil lære alt om "grønne teknologier" fra vår foreslåtte artikkel. Med vår hjelp kan du enkelt forstå typene solcelleinstallasjoner, konstruksjonsmetodene og operasjonsspesifikasjonene. Du vil sannsynligvis være interessert i et av de populære alternativene som jobber aktivt i verden, men som ennå ikke er etterspurt her.

I anmeldelsen presentert for din oppmerksomhet, har vi analysert designfunksjoner systemer, er koblingsskjemaer beskrevet i detalj. Et eksempel på solberegning er gitt. varmekretså vurdere realitetene i konstruksjonen. For å hjelpe uavhengige håndverkere er fotosamlinger og videoer inkludert.

I gjennomsnitt mottar 1 m 2 av jordens overflate 161 W solenergi i timen. Selvfølgelig, ved ekvator vil dette tallet være mange ganger høyere enn i Arktis. I tillegg avhenger tettheten av solstråling av årstiden.

I Moskva-regionen avviker intensiteten av solstråling i desember-januar fra mai-juli med mer enn fem ganger. derimot moderne systemer så effektive at de kan fungere nesten hvor som helst på jorden.

27.09.2019

Klassifisering og hovedelementer i solsystemer

Solvarmeanlegg er systemer som bruker solstråling som en kilde til termisk energi. Deres karakteristiske forskjell fra andre lavtemperaturvarmesystemer er bruken av et spesielt element - en solmottaker, designet for å fange solstråling og konvertere den til termisk energi.

I henhold til metoden for å bruke solstråling, er solvarmesystemer med lav temperatur delt inn i passive og aktive.

Passiv solvarmeanlegg kalles solvarmeanlegg der selve bygningen eller dets individuelle gjerder fungerer som elementet som mottar solinnstråling og omdanner den til varme (kollektorbygning, solfangervegg, takkollektor, figur 1).

I passive solcelleanlegg utføres bruken av solenergi utelukkende gjennom arkitektoniske og strukturelle løsninger av bygninger.

I et passivt lavtemperatur-solvarmesystem faller bygningssamlerens solstråling, som trenger gjennom lysåpningene inn i rommet, så å si inn i en termisk felle. Kortbølget solstråling passerer fritt gjennom vindusglasset og faller på de indre gjerdene i rommet, omdannes til varme. All solstråling som kommer inn i rommet omdannes til varme og kan delvis eller helt kompensere for det varmetap.

For å øke effektiviteten til bygningssamlersystemet er det plassert store lysåpninger på den sørlige fasaden, utstyrt med persienner, som når de er lukket, skal forhindre tap fra motstråling i mørket og i den varme perioden, i kombinasjon med andre solbeskyttende enheter, forhindre overoppheting av rommet. Innvendige overflater er malt i mørke farger.

Problemet med beregning kl denne metoden oppvarming er å bestemme det nødvendige området med lysåpninger for å overføre strømmen av solstråling inn i rommet, noe som er nødvendig, under hensyntagen til akkumulering for å kompensere for varmetap. Som regel er kraften til det passive bygningssamlersystemet i den kalde perioden ikke nok, og en ekstra varmekilde er installert i bygningen, noe som gjør systemet til en kombinert. Ved beregning bestemmes de økonomisk gjennomførbare områdene av lysåpninger og kraften til den ekstra varmekilden.

Passiv solenergi lavtemperatur luftvarmesystem "veggsamler" inkluderer en massiv yttervegg, foran hvilken en gjennomskinnelig skjerm med persienner er installert på kort avstand. Spaltelignende åpninger med ventiler er installert i veggene nær gulvet og under taket. Solens stråler, som passerer gjennom den gjennomskinnelige skjermen, absorberes av overflaten av den massive veggen og omdannes til varme, som overføres ved konveksjon til luften som befinner seg i rommet mellom skjermen og veggen. Luften varmes opp og stiger, kommer inn gjennom en spalte under taket inn i rommet som serveres, og dens plass tas av avkjølt luft fra rommet, som trenger inn i rommet mellom veggen og skjermen gjennom en spalte nær gulvet på rom. Tilførselen av oppvarmet luft til rommet styres ved å åpne ventilen. Hvis ventilen er stengt, samler det seg varme i veggmassen. Denne varmen kan fjernes ved konvektiv luftstrøm ved å åpne ventilen om natten eller i overskyet vær.

Ved beregning av et slikt passivt lavtemperatur solvarmesystem bestemmes det nødvendige veggoverflatearealet. Dette systemet er også duplisert med en ekstra varmekilde.

Aktiv kalles solvarmeanlegg med lav temperatur der solmottakeren er en uavhengig separat enhet som ikke er relatert til bygningen. Aktive solsystemer kan deles inn:

etter formål (varmtvannsforsyning, varmesystemer, kombinerte systemer for varme- og kuldeforsyningsformål);
etter type kjølevæske som brukes (væske - vann, frostvæske og luft);
etter arbeidets varighet (helårs, sesongmessig);
på teknisk løsning av kretser (en-, to-, multikrets).

For aktive solvarmeanlegg brukes to typer solmottakere: konsentrerende og flate.

Luft er en mye brukt kjølevæske som ikke fryser over hele spekteret av driftsparametere. Når du bruker det som kjølevæske, er det mulig å kombinere varmesystemer med et ventilasjonssystem. Luft er imidlertid et lavvarmekjølemiddel, noe som fører til en økning i metallforbruk for installasjon av luftvarmesystemer sammenlignet med vannsystemer. Vann er en varmekrevende og allment tilgjengelig kjølevæske. Ved temperaturer under 0 ◦ C er det imidlertid nødvendig å tilsette frostvæsker. I tillegg må det tas hensyn til at vann mettet med oksygen forårsaker korrosjon av rørledninger og utstyr. Men metallforbruket i solenergisystemer er mye lavere, noe som i stor grad bidrar til deres bredere bruk.

Solar vannvarmeinstallasjon VCA (Figur 2) består av en solfanger og en varmeveksler-akkumulator. Kjølevæske (frostvæske) sirkulerer gjennom solfangeren. Kjølevæsken varmes opp i solfangeren av solens energi og frigjør deretter termisk energi til vannet gjennom en varmeveksler montert i akkumulatoren. Lagertanken lagrer varmt vann inntil det øyeblikket det brukes, så det må ha god varmeisolasjon. I primærkretsen, hvor solfangeren er plassert, naturlig eller tvungen sirkulasjon kjølevæske. En elektrisk eller annen automatisk reservevarmer kan installeres i lagertanken. Hvis temperaturen i lagringstanken faller under innstilt temperatur (langvarig overskyet vær eller noen timer med solskinn om vinteren), slås reservevarmeren på automatisk og varmer vannet til den innstilte temperaturen.

Solvarmesystemer for bygninger er vanligvis dobbeltkretser eller som oftest flerkretser, og forskjellige kjølevæsker kan brukes til forskjellige kretsløp (for eksempel i solkretsen - vandige løsninger av ikke-frysende væsker, i mellomkretser - vann , og i forbrukerkretsen - luft). Kombinerte helårs solcelleanlegg for varme- og kuldeforsyning til bygninger er flerkrets og inkluderer en ekstra varmekilde i form av en tradisjonell varmegenerator som går på fossilt brensel eller en varmetransformator. Et skjematisk diagram av solvarmesystemet er vist i figur 3. Det inkluderer tre sirkulasjonskretser:

den første kretsen, bestående av solfangere 1, sirkulasjonspumpe 8 og væskevarmeveksler 3;
en andre krets bestående av en lagertank 2, en sirkulasjonspumpe 8 og en varmeveksler 3;
den tredje kretsen, bestående av en lagringstank 2, en sirkulasjonspumpe 8, en vann-luft varmeveksler (varmer) 5.

Solvarmeanlegget fungerer som følger. Kjølevæsken (frostvæsken) til varmemottakskretsen, som varmes opp i solfangerne 1, kommer inn i varmeveksleren 3, hvor varmen fra frostvæsken overføres til vannet som sirkulerer i mellomrøret til varmeveksleren 3 under påvirkning av pumpen 8 til sekundærkretsen. Det oppvarmede vannet kommer inn i lagertanken 2. Fra lagertanken tas vann av varmtvannsforsyningspumpen 8, bringes om nødvendig til ønsket temperatur i backupen 7 og kommer inn i varmtvannsforsyningssystemet til bygningen. Batteritanken lades opp fra vannforsyningen. For oppvarming tilføres vann fra lagertanken 2 av den tredje kretspumpen 8 til varmeren 5, gjennom hvilken luft føres gjennom ved hjelp av en vifte 9 og når den er oppvarmet, kommer den inn i bygningen 4. I fravær av solenergi stråling eller mangel på termisk energi generert av solfangere, er backup 6 slått på. Valget og arrangementet av elementer i solvarmesystemet i hvert enkelt tilfelle bestemmes av klimatiske faktorer, formålet med anlegget, varmeforbruksmodus og. økonomiske indikatorer.

Figur 4 viser et diagram over et solvarmeanlegg for et energieffektivt, miljøvennlig hus.

Systemet bruker vann som kjølevæske ved positive temperaturer og frostvæske i oppvarmingsperioden (solkrets), vann (andre krets med gulvvarme) og luft (tredje krets av luft solvarme).

En elektrisk kjele ble brukt som reservekilde, og et 5 m 3 batteri med rullesteinsfeste ble brukt for å akkumulere varme i ett døgn. En kubikkmeter småstein samler i gjennomsnitt 5 MJ varme per dag.

Lavtemperatur termiske lagringssystemer dekker temperaturområdet fra 30 til 100 ◦C og brukes i luft (30 ◦ C) og vann (30–90 ◦ C) oppvarming og varmtvann (45–60 ◦ C) systemer.

Et termisk lagringssystem inneholder som regel et reservoar, et varmeakkumulerende materiale som brukes til å akkumulere og lagre termisk energi, varmevekslingsenheter for tilførsel og fjerning av varme ved lading og utlading av batteriet, og termisk isolasjon.

Batterier kan klassifiseres etter deres natur fysiske og kjemiske prosesser strømmer inn varmeakkumulerende materialer:

batterier av kapasitiv type som bruker varmekapasiteten til det oppvarmede materialet (småstein, vann, vandige løsninger av salter, etc.);
faseovergangsbatterier av et stoff, som bruker varmen fra smelting (størkning) av et stoff;
energiakkumulatorer basert på frigjøring og absorpsjon av varme under reversible kjemiske og fotokjemiske reaksjoner.

De mest brukte varmeakkumulatorene er kapasitive.

Mengden varme Q (kJ) som kan akkumuleres i en varmeakkumulator av kapasitiv type bestemmes av formelen

Det mest effektive varmelagrende materialet i flytende solvarmeanlegg er vann. For sesongmessig varmeakkumulering er det lovende å bruke underjordiske reservoarer, steinjord og andre naturlige formasjoner.

Konsentrerende solmottakere er sfæriske eller parabolske speil (Figur 5.), Laget av polert metall, i fokus som et varmemottakende element (solkjele) er plassert, gjennom hvilket kjølevæsken sirkulerer. Vann eller ikke-frysende væsker brukes som kjølevæske. Ved bruk av vann som kjølevæske om natten og i kalde perioder må systemet tømmes for å hindre at det fryser.

For å sikre høy effektivitet av prosessen med å fange og konvertere solstråling, må den konsentrerende solmottakeren konstant rettes strengt mot solen. For dette formålet er solmottakeren utstyrt med et sporingssystem, inkludert en retningssensor til solen, en elektronisk signalkonverteringsenhet og en elektrisk motor med girkasse for å rotere solmottakerstrukturen i to plan.

Fordelen med systemer med konsentrerende solcellemottakere er muligheten til å generere varme ved en relativt høy temperatur (opptil 100 ◦ C) og til og med damp. Ulempene inkluderer de høye kostnadene ved strukturen; behovet for konstant å rengjøre reflekterende overflater fra støv; arbeid bare i dagslys, og derfor behovet for store batterier; store energikostnader for å drive solcellesporingssystemet, i forhold til energien som genereres. Disse ulempene hindrer den utbredte bruken av aktive lavtemperatur solvarmeanlegg med konsentrerte solmottakere. I det siste har flate solcellemottakere blitt oftest brukt til solvarmeanlegg med lav temperatur.

Flat-plate solfangere

En flat-plate solfanger er en varmeveksler designet for å varme opp en væske eller gass ved hjelp av solenergi. Bruksomfanget til flate solfangere er varmesystemer for bolig- og industribygg, klimaanlegg, varmtvannsforsyningssystemer, samt kraftverk med lavtkokende arbeidsvæske, vanligvis i henhold til Rankine-syklusen. Flatplate solfangere (figur 6 og 7) består av et glass- eller plastdeksel (enkelt, dobbelt, trippel), et varmemottakende panel malt svart på siden som vender mot solen, isolasjon på baksiden og et hus (metall) , plast, glass, tre).

Ethvert metall- eller plastark med kanaler for kjølevæske kan brukes som varmemottakende panel. Varmemottakende paneler er laget av aluminium eller stål av to typer: ark-rør og stemplede paneler (rør i ark). Plastpaneler, på grunn av deres skjørhet og raske aldring under påvirkning av sollys, samt lav varmeledningsevne, er ikke mye brukt. Under påvirkning av solstråling varmes varmemottakende paneler opp til temperaturer på 70–80 ◦ C, over omgivelsestemperaturen, noe som fører til en økning i den konvektive varmeoverføringen av panelet til omgivelsene og dets egen stråling til himmelen . For å oppnå høyere kjølevæsketemperaturer er overflaten av platen dekket med spektral-selektive lag som aktivt absorberer kortbølget stråling fra Solen og reduserer sin egen termiske stråling i den langbølgede delen av spekteret. Slike design basert på "svart nikkel", "svart krom", kobberoksid på aluminium, kobberoksid på kobber og andre er dyre (kostnadene deres er ofte sammenlignbare med kostnadene for selve varmemottakspanelet). En annen måte å forbedre ytelsen til flate platekollektorer på er å skape et vakuum mellom det varmemottakende panelet og den gjennomsiktige isolasjonen for å redusere varmetapet (fjerde generasjons solfangere).

Prinsippet for drift av solfangeren er basert på det faktum at den oppfatter solstråling med en tilstrekkelig høy absorpsjonskoeffisient av synlig sollys og har relativt lave termiske tap, inkludert på grunn av den lave transmittansen til det gjennomskinnelige glassbelegget for termisk stråling ved driftstemperatur . Det er klart at temperaturen til den resulterende kjølevæsken bestemmes av den termiske balansen til oppsamleren. Den innkommende delen av balansen representerer varmefluksen til solstråling, tatt i betraktning den optiske effektiviteten til kollektoren; forbruksdelen bestemmes av utvunnet nyttevarme, total varmetapskoeffisient og forskjellen mellom driftstemperatur og miljø. En kollektors perfeksjon bestemmes av dens optiske og termiske effektivitet.

Optisk effektivitet η o viser hvilken del av solstrålingen som når overflaten av solfangerglasset som absorberes av den svarte overflaten som absorberer stråling, og tar hensyn til energitapene knyttet til absorpsjon i glasset, refleksjon og forskjellen i termisk emissivitet koeffisient av den absorberende overflaten fra enhet.

Den enkleste solfangeren med et enkeltglass gjennomskinnelig belegg, polyuretanskumisolering av de resterende overflatene og en absorber belagt med svart maling har en optisk effektivitet på ca. 85 %, og en varmetapskoeffisient i størrelsesorden 5–6 W/( m 2 K) (fig. 7). Kombinasjonen av en flat strålingsabsorberende overflate og rør (kanaler) for kjølevæsken danner et enkelt strukturelt element - en absorber. En slik oppsamler om sommeren på middels breddegrader kan varme opp vann til 55–60 ◦ C og har en daglig produktivitet på gjennomsnittlig 70–80 liter vann per 1 m2 varmeapparatoverflate.

For å oppnå høyere temperaturer brukes samlere laget av evakuerte rør med selektivt belegg (Figur 8).

I en vakuumsamler er volumet som inneholder den svarte overflaten som absorberer solstråling, atskilt fra miljøet med et evakuert rom (hvert element i absorberen er plassert i et eget glassrør, inne i hvilket det dannes et vakuum), som gjør det mulig å nesten fullstendig eliminere varmetap til miljøet på grunn av varmeledningsevne og konveksjon. Strålingstap undertrykkes i stor grad ved bruk av selektiv belegg. I en vakuumsamler kan kjølevæsken varmes opp til 120–150 ◦C. Effektiviteten til en vakuumoppsamler er betydelig høyere enn for en flatplatesamler, men den koster også mye mer.

Effektiviteten til solenergiinstallasjoner avhenger i stor grad av de optiske egenskapene til overflaten som absorberer solstråling. For å minimere energitap, er det nødvendig at i de synlige og nær-infrarøde områdene av solspekteret, bør absorpsjonskoeffisienten til denne overflaten være så nær enhet som mulig, og i bølgelengdeområdet til overflatens egen termiske stråling, refleksjonskoeffisient bør ha en tendens til enhet. Dermed må overflaten ha selektive egenskaper - absorbere kortbølget stråling godt og reflektere langbølget stråling godt.

Basert på typen mekanisme som er ansvarlig for selektiviteten til optiske egenskaper, skilles fire grupper av selektive belegg ut:

egen;
to-lag, hvor det øvre laget har en høy absorpsjonskoeffisient i det synlige området av spekteret og et lite i det infrarøde området, og det nedre laget har en høy refleksjonskoeffisient i det infrarøde området;
med mikrorelief som gir den nødvendige effekten;
innblanding.

Et lite antall kjente materialer, for eksempel W, Cu 2 S, HfC, har sin egen selektivitet av optiske egenskaper.

To-lags selektive belegg er mest brukt. Et lag med høy reflektans i langbølgeområdet av spekteret, for eksempel kobber, nikkel, molybden, sølv, aluminium, påføres overflaten som må gis selektive egenskaper. På toppen av dette laget påføres et lag som er transparent i langbølgeområdet, men som har en høy absorpsjonskoeffisient i de synlige og nær-infrarøde områdene av spekteret. Mange oksider har slike egenskaper.

Overflateselektivitet kan sikres på grunn av rent geometriske faktorer: overflateuregelmessigheter må være større enn bølgelengden til lys i de synlige og nær-infrarøde områdene av spekteret og mindre enn bølgelengden som tilsvarer overflatens egen termiske stråling. En slik overflate vil være svart for den første av disse spektralområdene, og speillignende for den andre.

Overflater med en dendrittisk eller porøs struktur med passende størrelser av dendrittiske nåler eller porer har selektive egenskaper.

Interferensselektive overflater dannes av flere vekslende lag av metall og dielektrikum, der kortbølget stråling undertrykkes på grunn av interferens, og langbølget stråling reflekteres fritt.

Skala for bruk av solvarmeanlegg

I følge IEA, ved utgangen av 2001, var det totale arealet av installerte samlere i de 26 landene som var mest aktive i denne forbindelse, omtrent 100 millioner m 2, hvorav 27,7 millioner m 2 var uglaserte samlere, hovedsakelig brukt til oppvarming av vann i svømmebassenger. Resten - flatglasssamlere og samlere med evakuerte rør - ble brukt i Varmtvannsanlegg eller for romoppvarming. Når det gjelder arealet med installerte samlere per 1000 innbyggere, er lederne Israel (608 m2), Hellas (298) og Østerrike (220). Deretter kommer Tyrkia, Japan, Australia, Danmark og Tyskland med et spesifikt område med installerte samlere på 118–45 m2/1000 innbyggere.

Det totale arealet av solfangere installert innen utgangen av 2004 i EU-landene nådde 13,96 millioner m2, og i verden har det allerede oversteget 150 millioner m2. Den årlige økningen i området for solfangere i Europa er i gjennomsnitt 12 %, og i noen land er den på nivået 28–30 % eller mer. Verdensledende på antall solfangere per tusen innbyggere er Kypros, hvor 90 % av husene er utstyrt med solcelleinstallasjoner (det er 615,7 m 2 solfangere per tusen innbyggere), etterfulgt av Israel, Hellas og Østerrike. Den absolutte lederen innen installerte samlere i Europa er Tyskland - 47%, etterfulgt av Hellas - 14%, Østerrike - 12%, Spania - 6%, Italia - 4%, Frankrike - 3%. Europeiske land er de ubestridte lederne i utviklingen av nye teknologier for solvarmesystemer, men ligger langt bak Kina når det gjelder volumet av idriftsettelse av nye solcelleinstallasjoner.

Av det totale arealet av solfangere installert i verden i 2004, ble 78% installert i Kina. IED-markedet i Kina har nylig vokst med en hastighet på 28 % per år.

I 2007 var det totale arealet av solfangere installert i verden allerede 200 millioner m2, inkludert mer enn 20 millioner m2 i Europa.

I dag, på verdensmarkedet, er kostnaden for en IED (Figur 9), som inkluderer en oppsamler med et areal på 5–6 m2, en akkumulatortank med en kapasitet på omtrent 300 liter og nødvendig utstyr, $300– 400 US per 1 m2 oppsamler. Slike systemer er hovedsakelig installert i individuelle en- og tofamiliehus og har en reservevarmer (elektrisk eller gass). Når du installerer lagringstanken over kollektoren, kan systemet operere på naturlig sirkulasjon (termosifonprinsippet); ved montering av lagertank i kjelleren - tvungen.

I verdenspraksis er små solvarmeanlegg de mest utbredte. Som regel inkluderer slike systemer solfangere med et samlet areal på 2–8 m2, en lagringstank, hvis kapasitet bestemmes av arealet til de installerte solfangerne, en sirkulasjonspumpe (avhengig av typen termisk krets) og annet hjelpeutstyr.

Store aktive systemer, der lagertanken er plassert under kollektorene og kjølevæsken sirkuleres ved hjelp av en pumpe, brukes til varmtvannsforsyning og oppvarmingsbehov. Som regel, i aktive systemer som er involvert i å dekke deler av oppvarmingsbelastningen, er det gitt en reservevarmekilde som kjører på elektrisitet eller gass.

Et relativt nytt fenomen i praksisen med bruk av solvarme er store systemer som er i stand til å møte behovene til varmtvannsforsyning og oppvarming. leilighetsbygg eller hele boligområder. Slike systemer sørger for enten daglig eller sesongmessig varmeakkumulering. Daglig akkumulering forutsetter systemets evne til å operere med forbruk av varme akkumulert over flere dager, sesongmessig - over flere måneder. For sesongmessig varmeakkumulering brukes store underjordiske reservoarer fylt med vann, der all overskuddsvarme mottatt fra samlere om sommeren slippes ut. Et annet alternativ for sesongmessig akkumulering er å varme opp jorda ved hjelp av brønner med rør gjennom hvilke varmt vann som kommer fra samlerne sirkulerer.

Tabell 1 viser hovedparametrene for store solcelleanlegg med daglig og sesongbasert varmelagring sammenlignet med et lite solcelleanlegg for enebolig.

Tabell 1. — Hovedparametre for solvarmeanlegg

For tiden i Europa er det 10 solvarmeanlegg med solfangerarealer fra 2400 til 8040 m2, 22 systemer med solfangerarealer fra 1000 til 1250 m2 og 25 systemer med solfangerarealer fra 500 til 1000 m2. Nedenfor er spesifikasjoner for noen større systemer.

Hamburg (Tyskland). Arealet av oppvarmede lokaler er 14800 m2. Arealet til solfangere er 3000 m2. Volumet på vannvarmeakkumulatoren er 4500 m3.

Fridrichshafen (Tyskland). Arealet av oppvarmede lokaler er 33 000 m2. Arealet til solfangere er 4050 m2. Volumet på vannvarmeakkumulatoren er 12000 m3.

Ulm-am-Neckar (Tyskland). Arealet av oppvarmede lokaler er 25 000 m2. Arealet til solfangere er 5300 m2. Volumet på grunnvarmeakkumulatoren er 63400 m3.

Rostock (Tyskland). Arealet av oppvarmede lokaler er 7000 m2. Arealet til solfangere er 1000 m2. Volumet på grunnvarmeakkumulatoren er 20 000 m3.

Hemnitz (Tyskland). Arealet av oppvarmede lokaler er 4680 m2. Arealet til vakuumsolfangere er 540 m2. Volumet av grus-vann varmeakkumulatoren er 8000 m3.

Attenkirchen (Tyskland). Arealet av oppvarmede lokaler er 4500 m2. Arealet til vakuumsolfangere er 800 m2. Volumet på grunnvarmeakkumulatoren er 9850 m3.

Saro (Sverige). Systemet består av 10 små hus, inkludert 48 leiligheter. Arealet til solfangere er 740 m2. Volumet på vannvarmeakkumulatoren er 640 m3. Solcelleanlegget dekker 35 % av den totale varmebelastningen til varmeanlegget.

For tiden i Russland er det flere selskaper som produserer solfangere egnet for pålitelig drift. De viktigste er Kovrov Mechanical Plant, NPO Mashinostroenie og CJSC ALTEN.

Samlerne til det mekaniske anlegget i Kovrov (Figur 10), som ikke har selektivt belegg, er billige og enkle i design, er hovedsakelig rettet mot hjemmemarkedet. I Krasnodar-regionen For tiden er mer enn 1500 samlere av denne typen installert.

Egenskapene til NPO Mashinostroyenias samler er nær europeiske standarder. Samlerabsorberen er laget av en aluminiumslegering med et selektivt belegg og er først og fremst designet for drift i varmekretser med to kretser, siden direkte kontakt av vann med aluminiumslegeringer kan føre til gropkorrosjon i kanalene som kjølevæsken passerer gjennom.

ALTEN-1-kollektoren har et helt nytt design og oppfyller europeiske standarder, den kan brukes i både enkeltkrets- ogmer. Oppsamleren utmerker seg ved høye termiske egenskaper, et bredt spekter av mulige bruksområder, lav vekt og attraktiv design.

Erfaring med drift av installasjoner basert på solfangere har avdekket en rekke ulemper ved slike systemer. Først av alt er dette de høye kostnadene for samlere forbundet med selektive belegg, øker gjennomsiktigheten av glass, støvsuging, etc. En betydelig ulempe er behovet for ofte å rengjøre glasset fra støv, noe som praktisk talt utelukker bruken av samleren i industrielle formål. områder. Under langvarig drift av solfangere, spesielt under vinterforhold, observeres deres hyppige svikt på grunn av ujevn utvidelse av opplyste og mørke områder av glass på grunn av brudd på integriteten til glasset. Det er også en stor prosentandel av samlere som svikter under transport og installasjon. En betydelig ulempe med operativsystemer med samlere er også ujevn belastning gjennom året og dagen. Erfaring med drift av solfangere i Europa og den europeiske delen av Russland med en høy andel diffus stråling (opptil 50%) har vist umuligheten av å lage et helårs autonomt varmtvannsforsyning og varmesystem. Alle solcelleanlegg med solfangere på middels breddegrader krever installasjon av store lagringstanker og inkludering av en ekstra energikilde i systemet, noe som reduserer den økonomiske effekten av bruken. I denne forbindelse er det mest tilrådelig å bruke dem i områder med høy intensitet av solstråling (ikke lavere enn 300 W/m2).

Effektiv bruk av solenergi

I bolig og administrative bygninger Solenergi brukes hovedsakelig i form av varme for å møte behovene til varmtvannsforsyning, oppvarming, kjøling, ventilasjon, tørking, etc.

Fra et økonomisk synspunkt er bruken av solvarme mest fordelaktig når du lager varmtvannsforsyningssystemer og i vannvarmeinstallasjoner som er like i teknisk implementering (i svømmebassenger, industrielle enheter). Varmtvannsforsyning er nødvendig i ethvert boligbygg, og siden etterspørselen etter varmtvann endres relativt lite gjennom året, er effektiviteten til slike installasjoner høy og de betaler raskt for seg selv.

Når det gjelder solvarmesystemer, er bruksperioden i løpet av året kort, i løpet av oppvarmingsperioden er intensiteten av solstråling lav, og følgelig er kollektorområdet mye større enn i varmtvannsforsyningssystemer, og den økonomiske effektiviteten er Nedre. Vanligvis, når du designer, kombineres et solvarme- og varmtvannsforsyningssystem.

I solkjøleanlegg er driftsperioden enda kortere (tre sommermåneder), noe som fører til lang utstyrsstans og svært lav utnyttelsesgrad. Gitt de høye kostnadene for kjøleutstyr, blir den økonomiske effektiviteten til systemene minimal.

Den årlige utnyttelsesgraden av utstyr i kombinerte varme- og kuldeforsyningssystemer (varmtvannsforsyning, varme og kjøling) er høyest, og disse systemene er ved første øyekast mer lønnsomme enn kombinerte varme- og varmtvannssystemer. Men hvis vi tar i betraktning kostnadene for de nødvendige solfangerne og kjølesystemmekanismene, viser det seg at slike solcelleinstallasjoner vil være svært kostbare og neppe vil bli økonomisk lønnsomme.

Når du lager solvarmesystemer, bør passive ordninger brukes for å øke bygningens varmeisolasjon og effektivt bruke solstråling som kommer inn gjennom vindusåpninger. Problemet med termisk isolasjon må løses på grunnlag av arkitektoniske og strukturelle elementer, ved bruk av materialer og strukturer med lav varmeledningsevne. Det anbefales å fylle på den manglende varmen ved hjelp av aktive solcelleanlegg.

Økonomiske egenskaper ved solfangere

Hovedproblemet med den utbredte bruken av solcelleinstallasjoner er knyttet til deres manglende økonomisk effektivitet sammenlignet med tradisjonelle varmeforsyningssystemer. Kostnaden for termisk energi i installasjoner med solfangere er høyere enn i installasjoner med tradisjonelle brensler. Tilbakebetalingstiden for en solvarmeinstallasjon T ca kan bestemmes av formelen:

Den økonomiske effekten av å installere solfangere i områder med sentralisert energiforsyning E kan defineres som inntekt fra salg av energi i hele levetiden til installasjonen minus driftskostnader:

Tabell 2 viser kostnadene for solvarmeanlegg (i 1995-priser). Data viser at innenlandsk utvikling er 2,5–3 ganger billigere enn utenlandsk.

Den lave prisen på innenlandske systemer forklares av det faktum at de er laget av billige materialer, er enkle i design og er rettet mot hjemmemarkedet.

Tabell 2. - Kostnader for solvarmeanlegg

Den spesifikke økonomiske effekten (E/S) i den sentraliserte varmeforsyningssonen, avhengig av levetiden til samlerne, varierer fra 200 til 800 rubler/m2.

Varmeforsyningsinstallasjoner med solfangere har en mye større økonomisk effekt i regioner fjernt fra sentraliserte energinettverk, som i Russland utgjør over 70 % av territoriet med en befolkning på rundt 22 millioner mennesker. Disse installasjonene er designet for å fungere autonomt for individuelle forbrukere, der behovene for termisk energi er svært betydelige. Samtidig er kostnadene for tradisjonelle drivstoff mye høyere enn kostnadene i fjernvarmeforsyningssoner på grunn av transportkostnader og drivstofftap under transport, det vil si at drivstoffkostnaden i Central District-regionen inkluderer den regionale faktoren r r:

hvor r р > 1 og for ulike regioner kan endre størrelsen. Samtidig endres enhetskostnaden for installasjon C nesten ikke sammenlignet med C tr. Derfor, når du erstatter C t med C tr i formlene

beregnet tilbakebetalingstid for autonome installasjoner i områder fjernt fra sentraliserte nettverk, avtar med r r ganger, og den økonomiske effekten øker proporsjonalt med r r.

I dagens forhold i Russland, når energiprisene stadig øker og er ujevne på tvers av regioner på grunn av transportforhold, er beslutningen om den økonomiske gjennomførbarheten av å bruke solfangere svært avhengig av lokale sosioøkonomiske, geografiske og klimatiske forhold.

Solar-geotermisk varmesystem

Fra synspunktet om uavbrutt energiforsyning til forbrukeren, er de mest effektive kombinerte teknologiske systemer som bruker to eller flere typer fornybare energikilder.

På grunn av solvarmeenergi er det mulig å dekke varmtvannsbehovet i huset fullt ut om sommeren. I høst-vårperioden kan opptil 30 % av den nødvendige energien til oppvarming og opptil 60 % av behovet for varmtvannsforsyning hentes fra solen.

De siste årene har geotermiske varmeforsyningssystemer basert på varmepumper vært aktivt i utvikling. I slike systemer, som nevnt ovenfor, brukes lavt potensial (20–40 ◦ C) termisk vann eller petrotermisk energi som primær varmekilde øvre lag jordskorpen. Ved bruk av grunnvarme benyttes jordvarmevekslere, plassert enten i vertikale brønner 100–300 m dype, eller horisontalt på noe dyp.

For å effektivt gi varme og varmt vann For desentraliserte lavstrømforbrukere er det utviklet et kombinert solenergi-geotermisk system ved Institutt for geologi ved DSC RAS (Figur 11).

Et slikt system består av en solfanger 1, en varmeveksler 2, en lagertank 3, en varmepumpe 7 og en brønnvarmeveksler 8. Kjølevæske (frostvæske) sirkulerer gjennom solfangeren. Kjølevæsken varmes opp i solfangeren av solenergien og avgir deretter termisk energi til vannet gjennom varmeveksler 2, innebygd i lagertank 3. Lagertanken lagrer varmt vann til den skal brukes, så den må ha god termisk isolasjon. I primærkretsen, hvor solfangeren er plassert, kan naturlig eller tvungen kjølevæskesirkulasjon brukes. Akkumulatortanken er innebygd og elektrisk varmer 6. Hvis temperaturen i lagertanken faller under innstilt temperatur (langvarig overskyet vær eller noen timer med solskinn om vinteren), slår den elektriske varmeren seg automatisk på og varmer opp vannet til innstilt temperatur.

Solfangeraggregatet drives hele året og forsyner forbrukeren med varmtvann, og lavtemperatur gulvvarmeaggregatet med varmepumpe (HP) og varmevekslerbrønn 100–200 m dyp settes i drift kun under oppvarmingen. årstid.

I HP-syklusen kommer kaldt vann med en temperatur på 5 ◦ C ned i ringrommet til varmevekslerbrønnen og fjerner lavgradig varme fra den omkringliggende bergarten. Deretter blir vannet, avhengig av brønnens dybde, oppvarmet til en temperatur på 10–15 ◦ C og stiger gjennom den sentrale søylen av rør til overflaten. For å forhindre omvendt varmestrøm er den sentrale søylen termisk isolert fra utsiden. Ved overflaten kommer vann fra brønnen inn i HP-fordamperen, hvor det lavtkokende arbeidsmidlet varmes opp og fordampes. Etter fordamperen sendes det avkjølte vannet igjen til brønnen. I løpet av oppvarmingsperioden, med konstant sirkulasjon av vann i brønnen, avkjøles fjellet rundt brønnen gradvis.

Beregningsstudier viser at radiusen til kjølefronten i oppvarmingsperioden kan nå 5–7 m. I mellomoppvarmingsperioden, når varmesystemet er slått av, vil en delvis (opptil 70 %) gjenoppretting av temperaturfeltet ca. brønnen oppstår på grunn av varmetilstrømningen fra bergarter utenfor kjølesonen; å nå full bedring Det er ikke noe temperaturfelt rundt brønnen under nedetiden.

Solfangere monteres ut fra vinterperiode drift av systemet når sollys er minimalt. Om sommeren sendes en del av varmtvannet fra lagertanken til brønnen for å fullstendig gjenopprette temperaturen i fjellet rundt brønnen.

I mellomoppvarmingsperioden er ventilene 13 og 14 stengt, og med ventilene 15 og 16 åpne pumpes varmtvann fra akkumulatortanken av en sirkulasjonspumpe inn i brønnens ringrom, hvor varmeveksler etter hvert som den går ned. berget rundt brønnen. Deretter sendes det avkjølte vannet tilbake til lagertanken gjennom en sentral, termisk isolert kolonne. I løpet av fyringssesongen er tvert imot ventilene 13 og 14 åpne, og ventilene 15 og 16 er stengt.

I det foreslåtte teknologisk system Potensialet til solenergi brukes til å varme opp vann i varmtvannsforsyningssystemet og berg rundt brønnen i lavtemperaturvarmesystemet. Varmegjenvinning i berg gjør at varmeforsyningssystemet kan drives i en økonomisk optimal modus.

Termiske solenergianlegg

Solen er en betydelig energikilde på planeten Jorden. Solenergi blir veldig ofte gjenstand for en lang rekke diskusjoner. Så snart et prosjekt for et nytt solkraftverk dukker opp, dukker det opp spørsmål om effektivitet, kapasitet, investerte midler og tilbakebetalingstider.

Det er forskere som ser på solvarmekraftverk som en trussel mot miljøet. Speilene som brukes i termiske solkraftverk varmer opp luften veldig mye, noe som fører til klimaendringer og død av fugler som flyr forbi. Til tross for dette, de siste årene sol termiske kraftverk blir stadig mer utbredt. I 1984 kom det første solkraftverket i drift nær den californiske byen Cramer Junction i Mojabe-ørkenen (fig. 6.1). Stasjonen kalles Solar Energy Generating System, eller SEGS for kort.

Ris. 6.1. Solkraftverk i Mojabe-ørkenen

Ved dette kraftverket brukes solstråling til å produsere damp, som roterer en turbin og genererer elektrisitet. Termisk solenergiproduksjon i stor skala er ganske konkurransedyktig. For tiden har amerikanske energiselskaper allerede bygget solvarmekraftverk med en total installert kapasitet på mer enn 400 MW, som gir strøm til 350 000 mennesker og erstatter 2,3 millioner fat olje per år. Ni kraftverk i Mojabe-ørkenen har 354 MW installert kapasitet. Prosjekter for å bruke solvarme til å generere elektrisitet er også satt til å starte snart i andre regioner i verden. India, Egypt, Marokko og Mexico utvikler tilsvarende programmer. Tilskudd for deres finansiering er gitt av Global Environment Facility (GEF). I Hellas, Spania og USA utvikles nye prosjekter av uavhengige kraftprodusenter.

Basert på metoden for varmeproduksjon er solvarmekraftverk delt inn i solkonsentratorer (speil) og soldammer.

Solkonsentratorer

Termiske solkraftverk konsentrerer solenergi ved hjelp av linser og reflektorer. Siden denne varmen kan lagres, kan slike anlegg generere strøm etter behov, dag eller natt, uansett vær. Store speil – enten punkt- eller linjefokus – konsentrerer solstrålene i en slik grad at vann blir til damp, og frigjør nok energi til å snurre en turbin. Disse systemene kan konvertere solenergi til elektrisitet med en virkningsgrad på ca. 15 %. Alle termiske kraftverk, unntatt soldammer, bruker konsentratorer for å oppnå høye temperaturer, som reflekterer sollyset fra en større overflate til en mindre overflate av mottakeren. Vanligvis består et slikt system av en konsentrator, mottaker, kjølevæske, lagringssystem og energioverføringssystem. Moderne teknologier inkluderer parabolske konsentratorer, solparabolske speil og solenergitårn. De kan kombineres med forbrenningsanlegg for fossilt brensel og i noen tilfeller tilpasses for termisk lagring. Den største fordelen med slik hybridisering og termisk lagring er at slik teknologi kan gi elektrisitetsproduksjon som kan sendes, det vil si at elektrisitet kan genereres på tidspunkter når det er nødvendig. Hybridisering og termisk lagring kan øke den økonomiske verdien av elektrisiteten som produseres og redusere gjennomsnittskostnaden.

Solcelleanlegg med parabolsk konsentrator

Noen termiske solkraftverk bruker parabolske speil som konsentrerer sollys på mottaksrør som inneholder en kjølevæske. Denne væsken varmes opp til nesten 400ºC og pumpes gjennom en serie varmevekslere; dette produserer overopphetet damp som driver en konvensjonell turbogenerator for å produsere elektrisitet. For å redusere varmetapet kan mottaksrøret være omgitt av et gjennomsiktig glassrør plassert langs sylinderens brennlinje. Vanligvis inkluderer slike installasjoner en-akse eller to-akse solcellesporingssystemer. I sjeldne tilfeller er de stasjonære (fig. 6.2).

Ris. 6.2. Solcelleanlegg med parabolsk konsentrator

Estimater av denne teknologien viser en høyere kostnad for generert elektrisitet enn andre solvarmekraftverk. Dette skyldes den lave konsentrasjonen av solstråling, mer lave temperaturer. Men med mer driftserfaring, forbedret teknologi og lavere driftskostnader, kan parabolske konsentratorer være den billigste og mest pålitelige teknologien i nær fremtid.

Solenergianlegg av paraboltype

Solcelleinstallasjoner av paraboltypen er et batteri av parabolske parabolspeil som ligner i formen på en parabolantenne, som fokuserer solenergi på mottakere som er plassert i brennpunktet til hver tallerken (fig. 6.3). Væsken i mottakeren varmes opp til 1000ºC og brukes direkte til å produsere elektrisitet i en liten motor og generator koblet til mottakeren.

Ris. 6.3. Solcelleinstallasjon av paraboltype

Høy optisk effektivitet og lave startkostnader gjør speil-/motorsystemer til den mest effektive av alle solenergiteknologier. Systemet med en Stirling-motor og et parabolspeil har verdensrekorden for effektiviteten av å konvertere solenergi til elektrisitet. I 1984 oppnådde Rancho Mirage, California en praktisk effektivitet på 29%. Takket være deres modulære design er slike systemer det beste alternativet for å møte strømbehovet for både autonome forbrukere og hybride som opererer på et felles nettverk.

Solkraftverk av tårntype

Solenergianlegg av tårntype med sentralmottaker Solkraftverk av tårntype med sentralmottaker bruker et roterende felt av reflektorer-heliostater. De fokuserer sollys på en sentral mottaker bygget på toppen av tårnet, som absorberer termisk energi og driver en turbogenerator (fig. 6.4, fig. 6.5).

Ris. 6.4. Solkraftverk tårn type med sentral mottaker

Det datastyrte biaksiale sporingssystemet plasserer heliostatene slik at de reflekterte solstrålene er stasjonære og alltid faller på mottakeren. Væsken som sirkulerer i mottakeren overfører varme til varmeakkumulatoren i form av damp. Dampen snurrer en turbin for å generere elektrisitet, eller brukes direkte i industrielle prosesser. Mottakertemperaturer varierer fra 500 til 1500 ºC. Takket være varmelagring har tårnkraftverk blitt en unik solenergiteknologi som gjør at elektrisitet kan genereres i henhold til en forhåndsbestemt tidsplan.

Ris. 6.5. Solar Tower Power Plant "Solar Two" i California

Solrike dammer

Verken fokuseringsspeil eller solcelleceller kan generere energi om natten. Til dette formålet må solenergi akkumulert i løpet av dagen lagres i varmelagringstanker. Denne prosessen skjer naturlig i såkalte soldammer (fig. 6.6).

Ris. 6.6. Designdiagram for soldam
1. Høy saltkonsentrasjon. 2. Mellomlag. 3. Lav saltkonsentrasjon. 4. Kaldt vann"i" og varmt vann "fra"

Soldammer har høy konsentrasjon av salt i bunnvannlagene, et ikke-konvektivt mellomlag av vann hvor saltkonsentrasjonen øker med dybden, og et konvektivt lag med lav saltkonsentrasjon i overflaten. Sollys faller på overflaten av dammen og varmen holdes tilbake i de nedre vannlagene på grunn av den høye konsentrasjonen av salt. Vann med høy saltholdighet, oppvarmet av solenergi absorbert av bunnen av dammen, kan ikke stige på grunn av dens høye tetthet. Den forblir i bunnen av dammen, og varmes gradvis opp til den nesten koker. Den varme bunnen "saltlake" brukes dag eller natt som varmekilde, takket være hvilken en spesiell organisk kjølevæsketurbin kan generere elektrisitet. Det midterste laget av en soldam fungerer som varmeisolasjon, og forhindrer konveksjon og varmetap fra bunnen til overflaten. Temperaturforskjellen mellom bunnen og overflaten av damvannet er tilstrekkelig til å drive generatoren. Kjølevæsken, ført gjennom rør gjennom det nedre vannlaget, blir deretter matet inn i et lukket Rankine-system, der en turbin roterer for å produsere elektrisitet.

Fordeler og ulemper med solvarmekraftverk

Solkraftverk av tårntype med sentralmottaker og solkraftverk med parabolske konsentratorer fungerer optimalt som en del av store, netttilkoblede kraftverk med en kapasitet på 30-200 MW, mens solkraftanlegg av platetype består av moduler og kan brukes både i frittstående installasjoner og i grupper av felles med en kapasitet på flere megawatt.

Tabell 6.1 Kjennetegn ved solvarmekraftverk

Solparabolske konsentratorer er de mest avanserte av solenergiteknologiene i dag og vil sannsynligvis bli brukt i nær fremtid. Kraftverk av tårntype med sentral mottaker, på grunn av deres effektive termiske lagringskapasitet, kan også bli solkraftverk i nær fremtid. Den modulære naturen til brett-type enheter gjør at de kan brukes i små installasjoner. Solkraftverk av tårntype med sentral mottaker og installasjoner av paraboltype gjør det mulig å oppnå høyere effektivitetsverdier for å konvertere solenergi til elektrisk energi til en lavere kostnad enn kraftverk med solparabolske konsentratorer. I tabellen Tabell 6.1 viser hovedkarakteristikkene til tre alternativer for termisk solenergiproduksjon.

Doktor i tekniske vitenskaper B.I. Kazanjan
Moskva energiinstitutt
(teknisk universitet), Russland
Energimagasinet, nr. 12, 2005.

1. Introduksjon.

Hovedårsakene som fikk menneskeheten til å engasjere seg i storskala industriell utvikling av fornybare energikilder er:
-klimaendringer forårsaket av økt CO2-innhold i atmosfæren;
-sterk avhengighet av mange utviklede land, spesielt europeiske, av drivstoffimport;
-begrensede reserver av organisk drivstoff på jorden.
Den nylige signeringen av Kyoto-protokollen av de fleste utviklede land i verden har satt på dagsorden den akselererte utviklingen av teknologier som bidrar til å redusere CO2-utslipp til miljøet. Drivkraften for utviklingen av disse teknologiene er ikke bare bevisstheten om trusselen om klimaendringer og de tilhørende økonomiske tapene, men også det faktum at klimagassutslippskvoter har blitt en vare med svært reell verdi. En av teknologiene som kan redusere forbruket av fossilt brensel og redusere CO2-utslipp er produksjon av lavkvalitets varme til varmtvannsforsyningssystemer, oppvarming, klimaanlegg, teknologiske og andre behov ved bruk av solenergi. For tiden faller mer enn 40 % av den primære energien som forbrukes av menneskeheten på nettopp disse behovene, og det er i denne sektoren at solenergiteknologier er de mest modne og økonomisk akseptable for et bredt spekter av mennesker. praktisk bruk. For mange land er bruk av solvarmeanlegg også en måte å redusere økonomiens avhengighet av importert fossilt brensel. Denne oppgaven er spesielt relevant for landene i EU, hvis økonomi allerede er 50 % avhengig av import av fossile energiressurser, og innen 2020 kan denne avhengigheten øke til 70 %, noe som er en trussel mot den økonomiske uavhengigheten til denne regionen

2.Skala for bruk av solvarmeanlegg

Om skalaen moderne bruk solenergi for varmeforsyningsbehov fremgår av følgende statistikk.
Det totale arealet av solfangere installert i EU-landene ved utgangen av 2004 nådde 13960000 m2, og i verden oversteg 150000000 m2. Den årlige økningen i området for solfangere i Europa er i gjennomsnitt 12%, og i noen land når den et nivå på 20-30% eller mer. Når det gjelder antall solfangere per tusen innbyggere, er verdensledende Kypros, hvor 90 % av husene er utstyrt med solcelleinstallasjoner (det er 615,7 m2 solfangere per tusen innbyggere), etterfulgt av Israel, Hellas og Østerrike. Den absolutte lederen innen installerte samlere i Europa er Tyskland - 47%, etterfulgt av Hellas - 14%, Østerrike - 12%, Spania - 6%, Italia - 4%, Frankrike - 3%. Europeiske land er de ubestridte lederne i utviklingen av nye teknologier for solvarmesystemer, men ligger langt bak Kina når det gjelder volumet av idriftsettelse av nye solcelleinstallasjoner. Statistiske data om økningen i antall solfangere i drift i verden basert på resultatene fra 2004 gir følgende fordeling: Kina - 78%, Europa - 9%, Tyrkia og Israel - 8%, andre land - 5%.
Ifølge ekspertvurderingen fra ESTIF (European Solar Thermal Industry Federation) er det tekniske og økonomiske potensialet for bruk av solfangere i varmeforsyningssystemer i EU-land alene mer enn 1,4 milliarder m2 som kan produsere mer enn 680 000 GWh termisk energi per år. Planer for nær fremtid inkluderer installasjon av 100 000 000 m2 med samlere i denne regionen innen 2010.

3. Solfangeren er et sentralt element i solvarmesystemet

Solfangeren er hovedkomponenten i ethvert solvarmesystem. Det er her solenergi omdannes til varme. Effektiviteten til hele solvarmesystemet og dets økonomiske indikatorer avhenger av dets tekniske fortreffelighet og kostnad.
Det er hovedsakelig to typer solfangere som brukes i varmeforsyningssystemer: flate og vakuum.

Den flate solfangeren består av et hus, et gjennomsiktig gjerde, en absorber og varmeisolasjon (fig. 1).

Fig. 1 Typisk utforming av en flat plate solfanger

Huset er den viktigste bærende strukturen, det gjennomsiktige gjerdet tillater solstråling inn i solfangeren, beskytter absorberen mot det ytre miljøet og reduserer varmetap fra frontsiden av solfangeren. Absorberen absorberer solstråling og overfører varme til kjølevæsken gjennom rør koblet til dens varmemottakende overflate. Termisk isolasjon reduserer varmetapene fra bak- og sideflatene på solfangeren.
Den varmemottakende overflaten til absorberen har et selektivt belegg som har en høy absorpsjonskoeffisient i de synlige og nær-infrarøde områdene av solspekteret og en lav emissivitet i spektralområdet som tilsvarer solfangerens driftstemperaturer. De beste moderne solfangerne har en absorpsjonskoeffisient i området 94-95%, en emissivitetskoeffisient på 3-8%, og en effektivitet i området for driftstemperaturer som er typiske for varmesystemer overstiger 50% Ikke-selektiv svart belegg absorber brukes sjelden i moderne samlere på grunn av høye strålingstap. Figur 2 viser eksempler på moderne flatplatesamlere.

I vakuumsamlere (Figur 3) er hvert absorberelement plassert i et separat glassrør, inne i hvilket det skapes et vakuum, på grunn av hvilket varmetap på grunn av konveksjon og termisk ledningsevne av luft er nesten fullstendig undertrykt. Selektivt belegg på overflaten av absorberen gjør det mulig å minimere strålingstap. Som et resultat er effektiviteten til en vakuumsamler betydelig høyere enn for en flat solfanger, men kostnadene er mye høyere.

EN b

Fig 2 Flate solfangere

a) Wagner-selskap, b) Feron-selskap

EN b

Fig 3 Vakuummanifold fra Wissman
EN) generell form, b) koblingsskjema

3. Termiske diagrammer av solvarmeanlegg

I verdenspraksis er små solvarmeanlegg de mest utbredte. Som regel inkluderer slike systemer solfangere med et samlet areal på 2-8 m2, en batteritank, som bestemmes av arealet til samlerne som brukes, sirkulasjonspumpen eller pumpene (avhengig av typen termisk krets) og annet hjelpeutstyr. I små systemer kan kjølevæskesirkulasjonen mellom oppsamleren og lagertanken utføres uten pumpe, på grunn av naturlig konveksjon (termosifonprinsipp). I dette tilfellet bør lagringstanken være plassert over oppsamleren. Den enkleste typen slike installasjoner er en kollektor parret med en akkumulatortank plassert i den øvre enden av oppsamleren (fig. 4). Systemer av denne typen brukes vanligvis til varmtvannsforsyning i små eneboliger av hyttetypen.

Fig.4 Termosyfon solvarmesystem.

I fig. Figur 5 viser et eksempel på et aktivt system større størrelse, hvor batteritanken er plassert under kollektorene og kjølevæsken sirkuleres ved hjelp av en pumpe. Slike systemer brukes til både varmtvannsforsyning og oppvarming. Som regel, i aktive systemer som er involvert i å dekke en del av oppvarmingsbelastningen, leveres en reservevarmekilde som bruker elektrisitet eller gass .

Fig 5 Termisk diagram aktivt solvarmtvann og varmesystem

Et relativt nytt fenomen i praksisen med bruk av solvarme er store systemer som er i stand til å møte behovene til varmtvannsforsyning og oppvarming av leilighetsbygg eller hele boligområder. Slike systemer bruker enten daglig eller sesongbasert varmelagring.
Daglig akkumulering forutsetter evnen til å betjene systemet ved å bruke akkumulert varme i flere dager, sesongmessig - i flere måneder.
For sesongmessig varmeakkumulering brukes store underjordiske reservoarer fylt med vann, der all overskuddsvarme mottatt fra samlere om sommeren slippes ut. Et annet alternativ for sesongmessig akkumulering er å varme opp jorda ved hjelp av brønner med rør gjennom hvilke varmt vann som kommer fra samlerne sirkulerer.

Tabell 1 viser hovedparametrene for store solcelleanlegg med daglig og sesongbasert varmelagring sammenlignet med et lite solcelleanlegg for enebolig.

System type
Samlerareal per person m2/person
Varmeakkumulatorvolum, l/m2col
Andel av varmtvannsforsyningen dekket av solenergi %
Andel av total belastning dekket av solenergi
Kostnad for varme hentet fra solenergi for tyske forhold Euro/kWh