Възобновяеми енергийни източници

Тема 6. Слънчева топлинна енергия

Резюме

Може да се каже, че в основата на всички видове възобновяеми енергии стои слънчевата енергия. В този раздел ще бъде разгледано директното използване на слънчевата енергия във вид на топлина

Преобразуването и използването на слънчевата енергия като топлинна е широко разпространено и достъпно. Затова в този раздел е отделено особено внимание на този въпрос. В началото на раздела са представени необходимите астрономически и климатологични понятия и данни, които позволяват по-нататъшно професионално разглеждане на третираните въпроси. Основно внимание е отделено на активните слънчеви системи за топлоснабдяване, като са разгледани различните им варианти. Подробно са представени двата основни вида слънчеви колектори за добив на топлина - плоските и вакуумнотръбните, като е разгледано тяхното устройство и предназначение на отделните конструктивни елементи. Обърнато е специално внимание на ефективността на термичните слънчеви колектори - параметри от които зависи, вид на колектора. Дадена е възможност за отчитане и/или изчисляване на ефективността на различни слънчеви колектори. За правилно и целесъобразо функциониране на слънчевите колектори е даден акцент на техният монтаж. Показани са основните принципи на монтажа и различните монтажни ъгли, както и монтаж на колектори в редици. Представени са и слънчевите колектори с топлоносител въздух/газ, както и тяхното приложение. Разгледани са и акумулаторите на топлинна слънчева енергия, като основни елементи на една слънчева топлинна инсталация. След разглеждане на отделните елементи на слънчевите инсталации е направен термотехнически синтез на такава инсталация. Дадени са основните правила и изисквания за предпазване на изградените инсталации от замръзване и кипене на топлоносителя. Акцентирано е на основните правила при изграждане на слънчевите топлинни инсталации. Разгледана е и възможността за използване на добитата слънчева енергия за отопление на басейни и къщи.

Освен активните слънчеви системи, са разгледани и пасивните слънчеви системи. Представени са различни архитектурни решения, позволяващи ефективно усвояване на топлина от слънчевото лъчение.

Накрая на раздела е разгледана възможността за използване на слънчевата енергия за охлаждане. Представени са два начина за преобразуване на топлината от слънцето в студ - чрез абсорционна и адсорбционна хладилна машина.

Предвид широкият интерес към използване на слънчевата енергия като топлина е дадена методика за изчисляване и оразмеряване на слънчева топлинна инсталация във вид на курсова задача с изчислен пример към нея.

1. Астрономически и климатологични понятия

Слънцето е звезда в центъра на Слънчевата система. То представлява сфера от горещи газове с диаметър около 1,39.10⁶км. От химическа гледна точка масата на Слънцето е съставена основно от водород и хелий. Слънцето е непрекъснато действащ термоядрен реактор. Излъчваната енергия се генерира от непрекъснатите термоядрени реакции в него. С най-голямо енергийно значение е превръщането на водорода в хелий, като загубата на маса се превръща в енергия.

Повърхностната температура на Слънцето е 5778К (5505°С). От топлотехническа гледна точка Слънцето се разглежда като абсолютно черно излъчващо тяло. Средното разстояние от Земята до Слънцето е 149,6 млн. километра, като през зимата е малко по-близо, а през лятото малко по-отдалечено от Земята. Енергията на Слънцето, попаднала на Земята, поддържа почти целия живот на нея чрез процеса на фотосинтеза и направлява климата на Земята.

Слънчевото излъчване всъщност са електромагнитни вълни, които се движат със скоростта на светлината. Това вълново излъчване е с широк спектър на дължините на вълните, от 0,15 μm до 3 μm. Като се има предвид отдалечеността на Слънцето и относително малките размери на слънчевите колектори, се приема, че слънчевите лъчи са успоредни. Слънчевото излъчване, което пада на земната повърхност, зависи от положението на Земята в Космоса и спрямо Слънцето. Влияние оказва атмосферното разсейване от молекулите на въздуха, водните пари и праха, атмосферното поглъщане от кислорода, азота, водата и въглеродните оксиди, и отражението от йоносферата.

Ежегодно земята получава от Слънцето около 10¹⁵ kWh енергия, която превишава няколко хиляди пъти нуждите на човечеството. Максималната стойност на сумарното годишно излъчване за най-слънчевите райони на Земята е около 9200 MJ/m² за година. За географските и климатични условия на България тази стойност се изменя в границите 1110÷1420 MJ/m².година. Продължителността на слънчевото греене е различна за географските зони по света. В Сахара тя е 4000 h/година, за гр. Сандански - 2510 h /година, за гр. Пловдив - 2260 h /година, за гр. София - 2020 h /година.

Деклинация на Слънцето. Под деклинация на Слънцето се разбира ъгълът между посоката на слънчевите лъчи и равнината на екватора. Той се изменя от +23°27’ (22 юни) до -23°27’ (22 декември) поради движението на Земята по нейната орбита и наклона на земната ос спрямо равнината на земната орбита. Деклинацията (<δ) е нула по време на равноденствията. Тя предизвиква годишните сезони.

Фиг. 6.1. Деклинация на слънцето

Часов ъгъл „w” - това е двустенният ъгъл мужду равнината на меридиана, където се намира слънцето и равнината на меридиана на разглежданото място. Часовият ъгъл ” w” сутрин е отрицателен, а следобяд положителен.

Географска ширина φ. За България, намираща се в Северното полукълбо, географската ширина е средно 42.30’.

Азимут на слънцето - “Аz” - това е отклонението на слънцето спрямо южната посока. Изразява се в ъглови градуси.

Височинен ъгъл на слънцето „h”. Това е ъгълът между посоката на слънчевите лъчи и равнината на хоризонта. При изгрев и залез слънце този ъгъл е h=0 º.

Слънчева константа. Това е енергийният поток падащ перпендикулярно върху повърхност 1 m², намираща се извън атмосферата на Земята. Слънчевата константа (I_ск) има стойност около 1360 w/ m² и през годината се променя с ±3%.

Интензитет на слънчевата радиация.

Сумарната (обща) слънчева радиация върху единица земна повърхност І_о се формира от общото съвместно действие на пряката и дифузна слънчева радиация. Пряката радиация (І_пр) попада директно от Слънцето върху повърхността, а дифузната (І_дф) се формира от част от разсеяната радиация [2,7,11].

І_о = І_пр + І_дф

Съотношението между радиациите не е постоянно, променя се в зависимост от времето. При напълно ясно време І_дф ≈ (10÷20)% І_о, а при напълно облачно време

І_дф ≈ І_о.

Енергийните характеристики на слънчевата енергия са следните:

- променлива интензивност през различните часове на деня. Същата зависи и от

метеорологичните условия на конкретното място. Най-голяма е на обяд, когато слънцето е най-високо на хоризонта.

- вследствие отдалечеността на Земята от Слънцето, падналият енергиен поток върху земната повърхност е с ниска плътност ( 100 ÷ 1000) w/m².

- неравномерна спектрална плътност на излъчване със силно изразен максимум при дължина на вълните около 0,5 μm (видимата светлина).

Фиг.6.2.Интензивност на слънчевото излъчване в зависимост от дължината на вълната

Упоменатите характеристики налагат своите специфични средства и системи за оползотворяване на слънчевата енергия. Най-голямо приложение намират самостоятелните (островни, децентрализирани) системи, които са предвидени да произвеждат енергия на мястото, където се консумира.

За пресмятане на слънчевите инсталации и за извеждане на дългосрочни оценки са необходими някои интегрални характеристики за състоянието на атмосферата и за преминалата през нея слънчева радиация. Такива са:

средномесечната температура на външния въздух t_m, °С (таблица 6.1 НАРЕДБА № 7 ОТ 2004 Г. ЗА ЕНЕРГИЙНА ЕФЕКТИВНОСТ, ТОПЛОСЪХРАНЕНИЕ И ИКОНОМИЯ НА ЕНЕРГИЯ В СГРАДИ (ЗАГЛ. ИЗМ. - ДВ, БР. 85 ОТ 2009 Г.)

Таблица 6.2

Зона А, ориентация юг

Таблица 6.2 - продължение

Зона В, ориентация юг

Таблица 6.2 - продължение

Зона С, ориентация юг

2. Слънчеви системи за топлоснабдяване

Двете най-известни системи за преобразуване на слънчевата енергия в топлина са активната и пасивната.

Активната слънчева система представлява най-често изградена инсталация с циркулиращ топлоносител, която улавя, пренася и акумулира топлинната енергия от слънцето. Обикновено тя съдържа в себе си слънчеви колектори, акумулатор за топлина, технологични връзки и автоматика. Тези системи могат да се използват за осигуряване на топла вода, за подпомагане на отоплението на сградата и дори за климатизирането й.

Пасивната система е свързана с добилата популярност „слънчева архитектура”. Има се предвид улавяне и акумулиране на слънчева енергия чрез целенасочена архитектура и подбор на подходящи строителни материали. Строителните елементи са интегрирани в сградата и отдаването на акумулираната слънчева енергия става директно в помещенията.

3. Активни слънчеви топлинни системи

Най-важният съставен елемент на активните слънчеви системи е слънчевият колектор.

Слънчевите колектори (термични) преобразуват попадналата върху тях пряка и дифузна слънчева радиация в топлина.

Съществува голямо многообразие на слънчевите колектори. Класификацията им ще бъде направена според вида на топлоносителя, неговата температура, материалите на абсорбера и др.

Според вида на топлоносителя слънчевите колектори биват с течен и газообразен топлоносител. Течният топлоносител може да бъде вода или нискозамръзващ разтвор. С газообразен топлоносител се тези слънчеви колектори, абсорбиращата част на които се обтича от газ или въздух, които се загряват. Тези колектори най-често се използват за сушене на дървесина, зеленчуци, билки и др.

Според изменение интензитета на слънчевата радиация върху тях слънчевите колектори биват - обикновени и концентриращи. При обикновените слънчеви колектори не се влияе върху промяната на интензитета, той е толкова, колкото пада от слънцето върху тяхната повърхност. Към тези колектори спадат плоските, вакуумнотръбните и колектор-абсорберите.

При концентриращите колектори се използват допълнителни устройства (концентратори) за увеличаване на интензитета върху тях. Те работят при високи температури и се използват предимно в промишлеността и слънчевата енергетика.

Фиг 6.3. Концентриращи сл.колектори

Според температурата на топлоносителя t_т, слънчевите колектори се делят на:

нискотемпературни (t_т < 80 °С)
среднотемпературни (t_т = 80 ÷ 150 °С)
високотемператулни (t_т >150 °С)

Тук ще бъдат разгледани най-масово използваните слънчеви колектори - плоските и вакуумнотръбните.

4. Плоски слънчеви колектори

Това са най-често използваните колектори в активните слънчеви системи. Независимо от вида топлоносител (течен или въздух), тези колектори включват следните изграждащи елементи: прозрачно покритие, абсорбер, топлинна изолация и обединяващ корпус.

Фиг.6.4. Плосък слънчев колектор

Прозрачното покритие служи да намали топлинните загуби на абсорбера към околната среда и при възможност да създаде тъй наречения „парников ефект”. Този ефект се създава преди всичко от стъклото, което е най-често използваното покритие. То притежава висока пропускаемост (85 ÷ 90 %) на излъчване в късовълновия обхват

(0,3 ÷ 2,5 μm) и практическа непропускаемост за дълговълновото топлинно излъчване. Това води до нагряване над адсорбера и повишаване на температурата (парников ефект).

Използваното стъкло трябва да е с ниско съдържание на желязо, да е темперирано, здраво (да издържа на градушка) и да е поне 3 мм дебело. Стъклата могат да бъдат и две, с цел намаляване на топлинните загуби към околната среда. Този ефект може да се засили, ако пространството между стъклата се запълни с по-плътни газове (напр., аргон) или се вакуумира. При двуслойни стъклени покрития е препоръчително долното стъкло да има ниска стойност на коефициента на излъчване, за да не излъчва и да не загрява горното (външно) стъкло. Коефициентите на топлопреминаване на някои прозрачни покрития със стъкло са [10] :

еднослойно покритие k = 6 W/m²K
двуслойно покритие k = 3 W/m²K
двуслойно покритие с вакуумирано пространство k = 0,5 W/m²K

За прозрачни покрития могат да служат също и изкуствени материали. Те имат висока пропускателна способност, устойчиви са на разрушаване, евтини и по-леки от стъклото. [8,9] От пластмасовите покрития най-подходящи са тефлонът и полиестерното фибро стъкло. Тефлонът е устойчив на ултравиолетови излъчвания и високи температури (250°С). Недостатък е високото линейно удължение при нагряване, което води до провисване на покритието.

За потискане на конвекцията, а заедно с това и увеличаване на ефективността на колекторите, между прозрачното покритие и абсорбера се монтират клетъчни структури. Същите обикновено се изпълняват в правоъгълна, квадратна, кръгла форма или тип „пчелна пита”.

Абсорберът служи да погълне падналата върху повърхността му слънчева радиация и да я превърне в топлина. Добитата топлина се пренася за използване посредством топлоносител - течен или газообразен флуид. Абсорберът се изработва най-често от топлопроводими и корозионноустойчиви материали, като мед, алуминий и изкуствени материали.

За добрата работа на абсорбера от решаващо значение са оптичните характеристики на повърхността му. Най-ефективни са такива повърхности за абсорбери, които имат максимален коефициент на поглъщане в областта на вълните от видимия спектър и минимална степен на чернота във вълновия спектър на работната температура на колектора. Такива повърхности се наричат селективни. Те се получават обикновено чрез нанасяне с електрохимични технологии на много тънък слой (2-3 μm) от окиси на хром, мед, желязо и др. Така се получава висока поглъщаемост в късовълновия обхват на слънчевата радиация и прозрачност в дълговълновия.

При най-добрите производители на слънчеви колектори отношението на коефициента на поглъщане α за дължини на вълните от видимата част на слънчевия спектър и коефициента на излъчване ε, за вълновия спектър около работната температура на абсорбера е α/ε = 20. В миналото, а и сега се произвеждат абсорбери, боядисани с черна боя с висока степен на чернота. Тези абсорбери, обаче, както добре поглъщат, така добре и излъчват (разсейват) топлина, което намалява тяхната ефективност. Ефективността им намалява още и от термичното съпротивление, което се създава между боята и повърхността.

Топлинната изолация на колекторите служи да намали топлинните им загуби от неабсорбиращите части (странични и долна). Тя трябва да има нисък коефициент на топлопроводност и да е лека. Като такива се използват мергелна или каменна вата, полистирол, пенополиуретан. Другото предназначение на изолацията е да не допусне появата на конденз на водни пари върху повърхността на абсорбера, при което се препоръчва минималната й дебелина да бъде около 40-50 мм.

Корпусът (носещата конструкция) на слънчевите колектори служи да защити съставните им елементи от външните климатични въздействия - дъжд, вятър, сняг, прах и др. Корпусът трябва да осигури безпроблемно топлинно разширение на елементите в него и да осигури плътност срещу достъп на вода и прах.

5. Вакуумнотръбни слънчеви колектори

При тези колектори абсорберът е селективен и е вграден в стъклена тръба. Тази стъклена тръба е концентрично разположена в друга стъклена тръба, като между тръбите се поддържа висок вакуум (около 100 Pa). Това способства да се намалят топлинните загуби, особено през зимата, и да се повиши ефективността на тези колектори.

Фиг.6.5. Вакуумно-тръбен слънчев колектор

Диаметърът на стъклените тръби е от 100 до 200 мм, а дължината им 1500-1800 мм. Абсорберът най-често е оформен като двустранно оребрена тръба, през която преминава топлоносител и се загрява. Напоследък като тръби се използват „топлинни тръби”,запълнени с нискокипяща течност, които повишават ефективността на колектора. При вакуумнотръбните слънчеви колектори се достигат температури от порядъка на 130 - 150 °С.

6. Ефективност на термичните слънчеви колектори

По принцип ефективността на слънчевите колектори (η_ск) се определя от отношението на отвеждания от колекторите топлинен поток Q_сккъм падналия върху повърхността им слънчев енергиен поток (А_ск І_о) [1,5,6,11]:

η_{ск =}Q_ск/ (А_ск І_о) , %

където А_ск- площ на абсорбера на колектора,m²

І_о - интензитет на сумарната слънчева радиация, падаща върху слънчевия колектор, W/m²

Тъй като е трудно да се прилага горното уравнение за η_ск, защото се налагат измервания, по-подходящо за използване е обобщеното уравнение за η_ск, както следва:

η_{ск =}F_r (τα) - F_r K_ск(t_т - t_вн) / І_о, %

където F_r е коефициент на отвеждане на топлина от топлоносителя;

(τα) - приведена поглъщателна способност на колектора за съответния ъгъл на падане на лъчите (ъгълът между нормалата на колектора и слънчевите лъчи);
K_ск - коефициент на топлинните загуби(на топлопреминаване на слънчевия колектор), W/m²к
t_т - средна температура на топлоносителя в слънчевия колектор, °С
t_вн - температура на околната външна среда, °С

Математически погледнато горното уравнение е уравнение на права линия и се състои от два члена. Забелязва се, че η_ск е в пряка зависимост от параметъра (t_т - t_вн) / І_о, който отразява влиянието на експлоатационните фактори. Ъгловият коефициент F_r_.K_ски ординатата F_r(τα) отразяват конструктивните и топлотехнически качества на колекторите. На фиг.5 са дадени графики за ηск за вакуумни и плоски слънчеви колектори.

Фиг.6.6. Ефективност на слънчевите колектори в зависимост от вида, конструкцията и параметъра (t_т - t_вн) / І_о

7. Монтаж на колекторите, колекторни полета, свързване на колекторите

При монтажа на слънчевите колектори най-важно е да се съблюдава да не се засенчват. Това условие предопределя най-често да се монтират на покривите на сградите. Разбира се, те могат да бъдат монтирани и на обособени площадки на земята. Като изключение, колекторите могат да се монтират и на стените на сградите, но тогава те работят ефективно само през зимата.

Няколко са условията за правилен и подходящ монтаж на слънчевите колектори, а именно:

географската ориентация - юг (± 15°)
монтажен наклон на колекторите β (ъгълът, който те сключват с хоризонтална равнина). Преди определяне на монтажния ъгъл, трябва да се отговори на въпроса за времето на тяхната експлоатация - при целогодишна експлоатация β = φ (φ е географската ширина на площадката), а при предимно лятна експлоатация β = φ - (12÷15)^о.

Препоръчително е долният ръб на колектора да отстои от площадката около 300 мм. За поддържане на постоянно висока ефективност плоските слънчеви колектори трябва да имат незамърсена повърхност. Когато ъгълът на монтаж β = 30÷60° те се самопочистват при валежи.

При монтаж на слънчевите колектори в една редица не съществува проблем с взаимното им засенчване. Същият възниква при монтаж в няколко редици. Възниква въпросът какво да бъде отстоянието между редовете L_p, мерено по хоризонтална равнина.

За икономия на място на монтажната площадка се допуска взаимно засенчване сутрин и вечер, когато слънчевата радиация е най-ниска. Това засенчване не бива да бъде повече от 10% от падналата върху колекторите радиация.

Отстоянието между редовете на колекторите L_p е необходимо, ако изпълнява условието:

L_p ≥ l (cos β + sin β/tgV) , m

където l е вертикалния размер на абсорбера, а V - ъгъл, сключен между хоризонта и линията свързваща горния и долния ръб на колекторите на два съседни реда, ^о

При целогодишна работа се препоръчва ъгъла V = 25-30°, а при предимно лятна експлоатация на колекторите V< 35° [11]

Фиг.6.7. Слънчеви колектори монтирани на редове

Свързването на колекторите става обикновено по схемата „долу-горе”. Това означава, че от долната страна на колекторите постъпва студеният флуид и затоплен излиза от горната страна. За хидравлично изравняване на съпротивленията по тръбната мрежа те се свързват паралелно към нея. При необходимост от по-високи температури на топлоносителя, колекторите могат да се свържат и последователно или смесено (паралелно-последователно). Това ще доведе до известно спадане на общата ефективност на системата от слънчеви колектори, поради повишаване на t_т.

8. Слънчеви колектори с газов (въздушен) топлоносител

За топлоносител на тези колектори най-често служи въздухът. Те могат да съдържат в себе си акумулиращ материал или същият да е изнесен извън колектора. Най-често колекторите загряват въздух, който се използва за сушене на различни продукти[2,11,12].

Фиг.6.8. Въздушен колектор

Конвекцията на въздуха в слънчевата сушилня (колектор) се причинява от понижаване на налягането в нея в резултат на разликата в плътностите на околния въздух и на топлия въздух в сушилнята.

9. Акумулиране на топлина в слънчевите термични системи

В най-общия случай е налице несъвпадение във времето на слънчевата радиация и нейната консумация. Несъвпадение има също и по изходяща от слънчевите колектори топлинна мощност и консумирана такава. Тези неудобства от своя страна налагат слънчевата енергия, трансформирана в топлина, да се акумулира, за да може да се използва в подходящо време и начин. Най-достъпни са акумулаторите с течност (най-често вода) и камъни (за въздушните колектори). Същите най-често акумулират топлина чрез промяна на енталпията си (вкл. температурата си).Наричат се енталпийни акумулатори. Съществуват и акумулатори с по-големи възможности, т.нар. с фазов преход или химични акумулатори. При първите топлината се акумулира за сметка на фазовите превръщания на веществата, а при вторите за сметка на еднотермичните (съответно екзотермичните) химични реакции.

За намаляване на топлинните загуби на акумулаторите, същите трябва да притежават минимална повърхност за дадена маса (обем) на топлоакумулиращия материал. Така най-използваните форми обикновено са цилиндър, паралелепипед и куб. Другият фактор за малки топлозагуби е топлоизолацията им. Изисква се да бъде високоефективна и по възможност дебела (100÷200)мм.

Друго изискване за топлинните акумулатори на слънчевите системи е поддържането на температурна стратификация (разслояване) по височина на акумулатора. Това позволява да се удължи периода на консумация на топла вода без допълнително загряване на водата. За да се постигне това се прилага термосифонен ефект.

Фиг.6.9. Акумулатор на слънчева енергия

10. Термотехнически слънчеви инсталации за загряване на вода

Основните елементи на слънчевите инсталации за получаване на топла вода са:

слънчеви колектори
акумулатори на топлина
допълнителен източник на енергия, който служи да загрява (дозагрява) водата при облачно и мъгливо време.
циркулационна помпа, която служи да задвижва топлоносителя (водата) през елементите на инсталацията
свързващи тръби между отделните елементи
управляващ блок, който управлява работата на помпата.

Разбира се, съществуват и инсталации, които са опростени и не включват всички по-горе изброени елементи.

Видовете слънчеви системи за добив на топла вода могат да бъдат разделени на:

Според начина на задвижване на топлоносителя (водата) в тях - гравитационни (термосифонни) и помпени. При първите водата в системата циркулира благодарение на разликата в плътностите на топлата и студената вода, а при вторите това вършат помпите.
Според начина на загряване на консумираната топла вода - директна схема и индиректна. При директната схема консумираната топла вода преминава за загряване през слънчевите колектори. При индиректните през слънчевите колектори преминава специален топлоносител, който впоследствие загрява водата чрез топлообменник (индиректно)

Тук ще бъдат показани схеми на слънчеви системи, намерили важно практическо приложение, заедно с техните предимства и недостатъци[8,11].

Фиг.6.10.Схеми на директни слънчеви системи за добив на топла вода

а/ гравитационна б/ помпена

Предимството на тези системи е, че се избягва топлообменника между консумираната топла вода и топлоносителя, което повишава тяхната ефективност. При гравитационните системи не е необходим управляващ блок и циркулационна помпа, те се саморегулират и са по-евтини. Като недостатък на директните системи може да се посочи отлагането на соли в каналите на слънчевите колектори при температури над 55°С. Това явление запушва каналите на колекторите и влошава топлообмена, респективно намалява ефективността им.

Фиг.6.11. Схема на индиректна помпена слънчева система с буферен резервоар

Фиг. 6.12. Схема на индиректна помпена слънчева система с акумулатор/резервоар/ за топла вода за потребление

При индиректните системи показани на фиг.6.11 и фиг.6.12 се различават два циркулационни кръга - единият на топлоносителя през слънчевите колектори, другият на топлата вода през акумулатора/резервоара/. Характерно е, че тези схеми имат топлообменник, чрез който се пренася топлината от топлоносителя към загряваната вода. Могат да се посочат две главни предимства:

- осъществяването на принудителна циркулация в кръга на топлоносителя (колекторния кръг) спомага за интезифициране на топлообмена, което води до повишаване ефективността на колекторите.

- тези системи могат да се използват и през зимата, като за топлоносител се използва нискозамръзваща течност (антифриз). Това дава възможност за целогодишен добив на топла вода.

Дозагряването на потребителската вода става с допълнителен източник на енергия, в случая с отоплителен котел.

Слънчевите колектори могат да се използват за загряване на басейни, като с това се удължава периода за ползването им. Показани са схеми на директно и индиректно загряване на водата в тях [10, 11]

Фиг.6.13. Схема на директно отопление на плувен бассейн

Фиг.6.14. Схема на индиректно отопление на плувен бассейн

11. Предпазване на слънчевите системи от замръзване и кипене

При температури на външния въздух под 0°С и при наличие на вода в слънчевите колектори те могат да замръзнат. Образувалият се лед се разширява и най-често напуква тръбите на абсорбера и той излиза от експлоатация. За предотвратяване на тази опасност съществуват няколко начина за предотвратяването му:

през слънчевите колектори през зимата да циркулира единствено нискозамръзваща течност (воден разтвор на етиленгликол или пропиленгликол), чиято точка на замръзване лежи 8-9 °С по-ниско от възможно най-ниската температура за района. Разбира се, в този случай трябва да се вземат мерки против смесване на антифриза с консумираната топла вода в случай на авария.
чрез изпразване на слънчевите колектори и външните тръби през зимата. Това, обаче, предполага сезонна експлоатация на слънчевата система. Другото неудобство е, че се получава по-голяма възможност за корозия на системата.
понякога при ниски температури се практикува подаването на топла вода от акумулатора към слънчевите колектори. Този метод енергийно не е издържан и не е много надежден.

Има и други специфични методи за предпазване от замръзване, които не са намерили широко приложение.

Кипенето в слънчевите инсталации е един основен проблем. Той възниква най-често през лятото, когато няма консумация на топла вода, а слънчевата радиация е голяма. Тогава в колекторите температурата може да достигне над 100 °С, което създава условия за кипене. При кипенето, от една страна, водната пара излиза от обезвъздушителните устройства, а от друга, поради повишаване на налягането, топлоносител може да се изпусне и през хидравличните защити по налягане. Вследствие на това топлоносителят намалява и се прекъсва неговата циркулация. За избягване на проблема с кипенето се прилага първоначално зареждане на системата до по-високо налягане. Така се повишава температурата на кипене и се потиска парообразуването. Така например за 50%-ен разтвор на етиленгликол и налягане 4 bar, температурата на кипене е 150°С. В тези случаи слънчевите системи са от затворен тип, съоръжени със затворен разширителен съд и предпазен хидравличен вентил.

13. Някои основни правила при изграждане на слънчевите системи

Дебитът на циркулиращия през колекторите флуид е много важен, както за топлопренасянето през тях, така и за цялата система. Съществуват различни мнения по въпроса [4,8,11]. Накратко, специфичният дебит на топлоносител през колекторите се препоръчва в границите на 30÷70 l/m².h
Практиката е доказала, че трябва да се спазва отношението на обема на топлинния акумулатор (V_ak) към общата повърхност на колекторите (A_ck). Препоръчително е V_ak/A_ck ≈ (50÷100) l/ m²
Трябва да се отчита, че при използване на топлообменник при индиректните схеми за добив на топла вода, ефективността на системата като цяло намалява с 5 ÷10%.
При използване на допълнителен източник на енергия, като правило същият се монтира след акумулатора или се разполага в горната му част. В долната част на акумулатора обикновено се вгражда топлообменника между топлоносителя в слънчевите колектори и загряваната вода.
При използване на слънчевата инсталация за отопление, от отоплителната инсталация се изисква да бъде нискотемпературна (подово лъчисто със серпентини, топловъздушно, конвекторно). Препоръчва се така отопляваната сграда да има повишени топлоизолационни качества.

Топлотехническото оразмеряване на слънчеви системи за добив на топла вода е дадено в края на раздела.

14. Слънчеви системи за отопление

Проектирането на такава слънчева система е нелека задача. Потребностите от отопление през годината са противоположни на предоставяната от слънчевите колектори енергия. За нашите географски ширини засега е икономически неизгодно изграждането на отопление, базирано само на слънчева енергия. Причини за това са необходимостта от големи колекторни полета, които ще бъдат излишни през лятото; необходимостта от огромни акумулатори на топлина и първокласни топлоизолирани сгради. Ето защо се използват комбинирани (бивалентни) системи с конвенционални източници на отопление /фиг.6.15/.

Фиг.6.15. Къща с отоплителна инсталация, комбинирана със слънчева система

15. Пасивни слънчеви ситеми

Може да се каже, че всяка сграда представлява една пасивна система спрямо слънцето. През деня те се загряват, абсорбират топлина, тя се акумулира и после се отдава на въздуха в помещенията. В архитектурата е възникнало специално направление „слънчева архитектура”, което чрез специфични решения за планировката на сградите създава условия за снижаване на енергийните разходи за отопление и микроклимат.

Различните пасивни слънчеви системи, базирани на архитектурни решения, могат да бъдат разделени на две групи - директни и индиректни.

При директните системи слънчевата радиация преминава в сградата, като преминава през прозоречните елементи. Така най-често пода абсорбира слънчева енергия, която по-късно отдава в помещението чрез конвекция и лъчение /фиг.6.16/.

топлоакумулиращастена

а/ с акумулация на пода

б/ с акумулация на пода и стените

Фиг.6.16. а, б Пасивно директно слънчево отопление

Недостатъци на директните системи са голямата неравномерност на осветлението в тези помещения и необходимостта от голямо термично съпротивление на прозорците. Ако последното условие не е изпълнено, може да се окаже, че от прозорците повече топлина се губи, отколкото навлиза.

На прозорците на слънчевите фасади е необходимо да се осигури слънцезащита през летните месеци за избягване на прегряванията на тези помещения. [10]

При пасивните индиректни слънчеви системи слънчевата радиация се поглъща от строителни елементи, акумулира се и след това се пренася в помещението. Абсорбиращите повърхности на акумулиращите елементи обикновено са извън помещението. По-известни индиректни слънчеви системи са: масивна стена, стена „Тромб-Мишел”, с акумулираща водна стена или покрив, „топлинен диод” и др. [13], някои от които са дадени по-долу. Общото при тези системи е, че абсорбиращата стена трябва да е с висока обемна маса, т.е., да може да поглъща много топлина, която впоследствие да отдава в помещението. Нагряваната повърхност обикновено е оцветена в тъмно и отстои от външното остъкление на 50-60 мм. При някои от системите може да се организира и естествена вентилация на помещенията през лятото.

Фиг.6.17. Пасивни индиректни слънчеви системи за отопление

При тези системи съществуват няколко съществени недостатъка. През преходните сезони може да се получи недопустимо прегряване на помещенията. През лятото помещението задължително трябва да се предпазва от прегряване чрез направа на засенчване - козирки, решетки, щори. Допълнително е добре да се предвиди и екраниране на абсорбиращата повърхност през нощта през зимата, за да се предотврати нейното прекомерно охлаждане. Слънчевото покритие (показва каква част от енергията за отопление може да се покрие със слънчева енергия) на пасивното слънчево отопление за климатичните и географски условия на България е 25-35 % [11].

16. Използване на слънчевата енергия за охлаждане

Тук ще се разгледат две технологии за превръщане на слънчевата топлинна енергия в охладителна. Като най-използвана и известна е абсорбционната. За разлика от компресорните хладилни машини, които ползват механична енергия за реализиране на хладилния цикъл, абсорбционните хладилни машини работят с топлинна енергия( за генератора ), в това число и със слънчева. Характерна особеност при тях е, че се използват две вещества - работно вещество, наричано хладилен агент и абсорбент.

Сред най-разпространените абсорбционни хладилни машини са работещите с воден разтвор на литиев бромид. Те обикновено съдържат два блока - горен и долен. (фиг.6.18).

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

Фиг. 6.18. Принципна схема на абсорбционна хладилна машина

В долния блок на машината са разположени абсорберът и изпарителят, в които се поддържа ниско налягане и температура. В горния блок са разположени генераторът и кондензаторът, в които се поддържа високо налягане и температура. В изпарителя течният хладилен агент (вода) се изпарява, отнемайки топлина от охлаждащия флуид. Парите на хладилния агент се поглъщат от концентрирания бромисто-литиев разтвор, разпръскван в абсорбера. Разреденият вече разтвор се подава в генератора с помощта на помпа, където се загрява с подаване на топлина. Тази топлина може да бъде добита и от слънцето. В генератора, чрез загряване на разтвора водата се изпарява, а концентрираният бромисто-литиев разтвор се стича в абсорбера. Парите на хладилния агент постъпват от генератора в кондензатора, където кондензират, и образувалата се течност постъпва в изпарителя при понижено налягане. Описаният цикъл се реализира непрекъснато при работата на хладилната машина.

Другата технология е адсорбционната. Това е една сравнително нова технология [15]. При нея работните вещества са вода, като хладилен агент и твърдо тяло - адсорбент. Като адсорбенти най-често се използват зеолити или силикагел. Поради това тези технологии за слънчево охлаждане могат да се нарекат зеолитни технологии. Зеолитите имат необичайни сорбционни свойства по отношение на различни хладилни пари, в това число и на водата. Тъй като топлината на изпарение на водата е голяма и е около 10 пъти по-голяма от тази на използваните фреони, то комбинацията зеолит-водна пара осигурява високоефективна система. Изключително важно свойство на зеолитите е способността им за обратима адсорбция на вода. Дори и след няколко хиляди адсорбция/десорбция цикли структурните промени на кристала на зеолита са незначителни, ако параметрите на процесите не превишават определени граници. Принципната схема на адсорбционна машина за охлаждане е показана на фиг.6.19.

Фиг.6.19. Принципна схема на адсорбционна хладилна машина

1- капак; 2- адсорбент легло; 3- изолационен материал; 4- рамка; 5- кондензатор; 6- свързваща тръба; 7- изпарител; 8- резервоар за вода; 9- изолация.

Основните съоръжения са: адсорбер, съдържащ зеолит; кондензатор на водни пари и изпарител. Елементите от 1 до 4 всъщност представляват слънчев колектор. Водата се изпарява в изпарителя при почти пълен вакуум. При това налягане температурата на изпарение е 0÷1°С. Образувалите се пари охлаждат изпарителя и се адсорбират (поглъщат) веднага от адсорбиращия материал (адсорбера). Това продължава докато се изчерпи адсорбционният капацитет на адсорбента.

След това започва процеса на десорбция. Адсорбентът се загрява със слънчева топлинна енергия. Получават се водни пари, които кондензират в кондензатора и се стичат в изпарителя, готови за нов цикъл. Недостатъкът на тази система е трудното поддържане на вакуума в нея.

Основни понятия :

Деклинация на слънцето, географска ширина, слънчева константа, интензитет на слънчевото излъчване, пряка и дифузна слънчева радиация ,плоски и вакуумно тръбни слънчеви колектори, ефективност на слънчевите колектори, монтажен наклон на колекторите, отстояние между колекторите, акумулатори на топлина, директна и индиректна слънчева система, пасивна слънчева система

Литература

Буржии Я., Слънчевите колектори и отоплителните инсталации, Топлотехника за бита, 5/2005
Денев Д., Слънчеви колектори и системи, 2009
Клазар Л., Топлинни помпи и слънчева енергия, Топлотехника за бита, 8/2003
Крамолит П., Използването на мащабни соларни системи - модерен подход и ново проектантско решение, Топлотехника за бита, 3/2008 (high-flow, low-flow, Matched L low)
Матушка Т., Активни соларни топлинни системи, Част 1, Топлотехника за бита, 2/2008 (ефект. на сл. кол.; параметри на сл.кол.)
Матушка Т., Активни соларни топлинни системи, Част .2, Топлотехника за бита, 3/2008
Пейчев К., Д. Динев, Р. Георгиев, Н. Делчев и др. 2006. Възобновяеми енергийни източници в земеделието (Международен проект “PROAERE” по програма “Леонардо да Винчи”)
Спасов К., Балабанов М., Станков А., Проектиране и конструиране на топлинни слънчеви инсталации, Техника 1988
Стоянова М., Стойков Р., Бенев А., Анализ на техническите и технологични параметри на плосък воден слънчев колектор, Топлотехника за бита, 3/2007
Софиянски П., Енергоефективна архитектура, 2011
Стамов С. и колектив, Справочник по отопление, климатизация и охлаждане, Част 11, 2001
Чураков Сл, Стоилов А., Сушене със слънчева енергия, Топлотехника за бита, 2/2005
Проспект на фирма”Интиел”гр. Поморие, 2005
SUNSYSTEM; slanchevisistemi.com
Tchernev D.I., Solar energy application of natural zeolite, Pergamon Press, p.479, 1978

Курсова задача: Проектиране на слънчева топлинна инсталация

Задание за проектиране на слънчева инсталация за топла вода

Да се проектира слънчева инсталация за топла вода за нуждите на производител на мляко при следните условия:

среднодневен добив на мляко Ммл
осигуряване изцяло на топла вода от слънчеви колектори през периода „май-септември” и частично през останалото време
обектът (кравефермата) е разположен в района на град Пловдив
температура на водата от водопровода tвода = 14°С
специфичен масов разход на топлоносител за слънчевите колектори 0,015 dm³/m².s.

Методика за решаване на задачата

Определяне вида на слънчевите колектори. Предвид целогодишното използване на слънчвите колектори и пълно покритие на добива на топла вода през лятото (дори и при облачно време) се избират селективни слънчеви колектори.
Определяне наклона на колекторите и разстоянието между колекторните редици.

Наклонът на слънчевите колектори (т.е. монтажният ъгъл β ) зависи от периода на използване на колекторите през годината. При целогодишно използване наклонът на слънчевите колектори е равен на георграфската ширина на обекта , т.е. β=φ=42°

Разстоянието между колекторните редици Lp е необходимо да е минимално и същевременно да осигурява не повече от 10% засенчване между тях. Тези условия се изпълняват като се използва изискването на Lp, дадено в т.7 на настоящия раздел.

, m

където

l -вертикален размер на слънчевия колектор,m

β - монтажен ъгъл на слънчев колектор,⁰

v - ъгъл, сключен между хоризонта и линията свързваща горния и долния край на колекторите от два последователни реда При целогодишна работа на слънчевите колектори, този ъгъл се приема 25÷30°.

3. Определяне на необходимото количество топла вода (Мтв).

Това се извършва при съобразяване с хигиенните или технологични изисквания на обекта, като за целта се използват справочници

М_тв = v . M_мл, dm³

където v е дневен специфичен разход на топла вода, dm³/ dm³ мляко

4. Определяне на необходимото количество топлина за загряване на топлата вода (Qтв).

Приема се, че цялото количество добита топлина отива да повиши температурата на водата във водния акумулатор и да покрие разсейването на топлина от същия. Тогава

Q_тв = М_тв . С_в (t_тв-t_св)

t_тв, t_св - температура на топлата и студената вода, °C

С_в - специф. топлинен капацитет на водата, С_в=4,19 kJ/kg°C

5. Отчитане на сумарната дневна слънчева радиация (Едн).

Същата се отчита от табл.6.2. в зависимост от монтажния ъгъл на наклона на колектора и условията за облачност. Ако ъгълът на наклона не съвпада с дадения, се вземат данни за най-близката стойност или се интерполира.

6.Намиране коефициента на полезно действие (кпд) на слънчевие колектори (η).

Намирането на кпд на слънчеви еколектори става чрез използване на зависимостта

на чиято база е построена графиката на фиг.6.6.

В предходната зависимост за η, отделните параметри са както следва:

- tв - температура на топлоносителя на входа на слънчевите колектори, °С.

t_вн- външна въздушна температура, С

За такава се приема следната месечна температура за избрания месец (май или септември), с (Наредба №РД -16-1058 от 10.12.2009).

- средна интензивност за деня на слънчевата радиация върху площа на колектора, W/m².

Приема се , че всеки ден водните акумулатори се пълнят с вода от водопровода с температура tсв=14°С. Същата е необходимо да се загрее до минимум t_тв =60°С, т.е. средната температура на водата в акумулатора tcp се определя:

За да протича нормален топлообмен между топлоносителя на слънчевите колектори и водата в акумулатора на топла вода трябва между тях да има температурна разлика ∆t, която може да се приеме в рамките на ∆t=4÷6°С[13].

Тогава

t_в = t_cp + ∆t

Като се има предвид продължителността на ефективното слънчево греене (τ) през избрания месец (май или септември), τ = 11 часа, то средната дневна стойност на може да се определи по зависимостта:

След определяне на величините и t_в, се намира аргумента

който се използва за отчитане на η(кпд) на слънчевите колектори от фиг.6.6.

7. Определяне площта на слънчевите колектори (Fск)

Площта на слънчевите колектори е правопропорционална на количеството топлина за загряване на топлата вода Q_тв и обратно пропорционална на сумарната дневна слънчева радиация Едн. Може да се изрази със следното уравнение:

където

η- кпд на колекторите

- коефициент, отчитани топлинните загуби на слънчевата инсталация, =1,1.

8. Начертаване и оразмеряване на слънчевата инсталация.

Извършва се по методите за оразмеряване на отоплителна инсталация.

ПРИМЕР:

Нека среднодневният добив на мляко Ммл = 900 литра /l/

1. Определяне вида на слънчевите колектори. Предвид целогодишното използване на слънчвите колектори и пълно покритие на добива на топла вода през лятото (дори и при облачно време) се избират селективни слънчеви колектори.

Избирам плоски селективни слънчеви колектори с едностъклено покритие.

2.Определяне наклона на колекторите и разстоянието между колекторните редици.

Приемам ъгъл ν = 30° и височина на колекторите l=2 m.

Тогава:

3. Определяне на необходимото количество топла вода (М_тв).

Съгласно таблица 16.4 от [1] отчитам, че за млекопроизводител за всеки литър мляко е необходимо да се осигури 1-1,5 литра топла вода (ν). Приемам дневен специфичен разход на топла вода 1,2 l/l мляко.

Тогава М_тв = ν . М_мл = 1,2 . 900 = 1080 l (kg)

4.Определяне на необходимото количeство топлина за загряване на топлата вода (Q_тв).

Q_тв = М_тв C_в (t_в- t_св ) = 1080 . 4,19 (60-14) = 208159 kJ

5.Отчитане на сумарната дневна слънчева радиация (Едн). Отчита се от таблица 6.2 за монтажен ъгъл 40° и условия на облачност за зона В, за месец май -=4,6 kWh/m² ден; за месец септември =5,0 kWh/m² ден; избирам по-малката стойност, т.е. =4,6 kWh/m² ден.