Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология
ВАЖНО ДИПЛОМ. Использование солнечных коллекторов означает революцию в принципах строительства, отопления и обеспечении жилья горячей водой
 Скачать 4.6 Mb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Использование солнечных коллекторов означает революцию в принципах строительства, отопления и обеспечении жилья горячей водой. Использование солнечной энергии позволяет уменьшить расходы на отопление в два раза, а на получение горячей воды в 4 раза. Солнечные коллекторы - самые эффективные на сегодня устройства по использованию энергии солнца. Если фотоэлектрические панели используют 14-18% от поступающей к ним энергии солнца, то эффективность солнечных коллекторов 90-95%. Основной принцип работы заключается в том, что солнечные коллекторы захватывают тепловую энергию, концентрируют и направляют для использования человеком. Солнечные коллекторы все больше используются у нас и за рубежом для обеспечения горячей воды и в различных системах отопления. Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют ежегодно экономить до 90% традиционного топлива. Существует ошибочное мнение, о малости солнечных ресурсов России для полноценного использования фотоэлектрических установок. Это не соответствует реальной картине, так как даже в средней полосе России солнечной энергии достаточно для круглогодичной работы солнечной электростанции, и к востоку страны солнечных ресурсов ещё больше. В Германии солнечной энергии меньше, чем в Московской области, но, уже несколько лет с успехом реализуется программа «Сто тысяч солнечных крыш», в рамках которой государство стимулирует развитие солнечной энергетики, выдавая дешёвые кредиты на покупку солнечных электростанций и покупая произведённую энергию по повышенным тарифам. Аналогичные программы действуют в Испании, США, Греции, Болгарии и других странах. Страны ЕЭС планируют довести производство электроэнергии от альтернативных и возобновляемых источников до 20% от всей произведённой энергии к 2020 году. Однако возникает ряд сложностей с применением солнечных элементов в системах энергоснабжения. Во-первых, есть трудности с расчётом реальной производительности солнечных элементов, так как в реальных условиях они просто не способны выдавать те характеристики, которые описаны предприятием-изготовителем. На мощность, выдаваемую солнечным элементом, влияют такие факторы, как широта местности, где расположена солнечная электростанция, угол наклона по отношению к Солнцу, спектральный состав излучения, погода, время суток и температура. Во-вторых, при проектировании солнечной электростанции важно правильно рассчитать мощность её структурных элементов и их КПД, чтобы станция не вышла из строя из-за перегрузки отдельных её частей. Для изучения солнечного коллектора были собраны два лабораторных стенда, на основе параболоцилиндрических зеркал с вакуумированным теплопоглощающим элементом с жидким теплоносителем и теплоустановка с плоским солнечным коллектором. Глава 1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ 1.1 Солнце как источник энергии Солнце – первопричина всей жизни на Земле и наш важнейший поставщик энергии. Оно – невероятный сгусток энергии. Энергия, излучаемая с поверхности Солнца и попадающая на земной шар, примерно в 10.000 раз превышает сегодняшнюю мировую потребность в энергии. Однако используемая доля исходящей от Солнца энергии сейчас еще очень мала. Максимальная мощность солнечного излучения составляет 1.000 ватт на один квадратный метр земной поверхности. Таблица 1. Солнечное излучение.
Общая мощность излучения или так называемая глобальная радиация представляет собой сумму прямого и рассеянного излучения. Важно различать эти виды излучения, т.к. современные солнечные установки рассчитаны на различное излучение. Так, например, термические солнечные установки, предназначенные для подогрева воды, используют как прямое, так и рассеянное излучение солнца. Они преобразуют энергию излучения в тепло даже при облачной погоде.  На графике показаны годовые колебания усредненного общего излучения в г.Карслруэ, Германия. График 1. Годовые колебания. Как солнечные лучи превращаютсяэлектрический ток?! «Фотовольтаик» – специальный термин, обозначающий непосредственное преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью, так называемых солнечных батарей (фотогальванической установки). В настоящее время они изготавливаются почти исключительно из кремния – материала, получаемого из кварцевого песка, имеющегося почти в неограниченном количестве. Если солнце светит в условиях тумана, облачности или же находится низко над горизонтом, то оно светит «вполсилы», а это значит, что и солнечная батарея или коллектор работает лишь вполовину своей производительности. Наибольшего КПД фотогальваническая установка достигает при перпендикулярном облучении. Установка с жестким креплением должна быть расположена по возможности под углом в 30° и направлена на юг. 1.2 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения Солнце излучает колоссальное количество энергии. И лишь часть попадает на Землю. Но и этого объема солнечной энергии, достигшей в течение суток нашей планеты, вполне хватит покрыть расходы человечества на весь год. Но, к сожалению не вся поступающая энергия может быть использована, так как часть поглощается атмосферой или отражается в космос. Интенсивность солнечного потока, достигшего Землю, зависит от времени суток, года, погодных условий и местоположения. Подсчитанное количество солнечной энергии за день или год называется иррадиацией или «приход солнечной радиации». По этому значению можно узнать, насколько мощным было солнечное излучение. Единица измерения иррадиации Вт*ч/м2 в день, или другой период.  Солнечной постоянной называется интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равному среднему расстоянию между Землей и Солнцем. Солнечная постоянная равна – 1353 Вт/м2 . В связи с прохождением через атмосферу солнечный свет ослабевает из-за поглощения инфракрасного излучения и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Воздушной массой называется показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности.Рис. 1.1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения. Нa рис.1.1 в различных условиях показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, следовательно, полная мощность излучения – 925 и 691 Вт/м2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту). Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она приближается распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней практически вечно.[2] 1.3 Распределения солнечной радиации на поверхности Земле Количество солнечной энергии, достигающей на поверхность Земли, изменяется из-за движения земли вокруг своей оси и Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года. Обычно в полдень на Землю попадает наибольшее количество солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится в зените, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Вследствие этого, меньшее количество солнечных лучей преломляется и отражается, следовательно, больший объем солнечной радиации достигает поверхности земли. Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов: широты, местного климата, сезона года, угла наклона поверхности по отношению к Солнцу. Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт*ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт*ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору. Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения объекта: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Центральном регионе России - приблизительно 1000 кВт*ч/м2; в Средиземноморье приблизительно 1500 кВт*ч/м2; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт*ч/м2. Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения. Этот фактор играет важнейшую роль при расчете эффективности использования электростанций, в которых используются солнечные батареи и коллекторы.  Рис.1.2 Распределение солнечной радиации на поверхности Земли.1.4 История развития солнечных коллекторов Люди нагревали воду при помощи Солнца с давних времен, до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике. Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий. Покрашенная в черный цвет поверхность сильно нагревается на солнце, тогда как светлые поверхности нагреваются меньше, белые же меньше всех остальных. Это свойство используется в солнечных коллекторах - наиболее известных приспособлениях, непосредственно использующих энергию Солнца. Коллекторы были разработаны около двухсот лет назад. Самый известный из них - Технология изготовления солнечных коллекторов достигла практически современного уровня в 1908 году, когда Вильям Бейли из американской "Carnegie Steel Company" изобрел коллектор с теплоизолированным корпусом и медными трубками. Этот коллектор весьма походил на современную термосифонную систему (см. ниже). К концу первой мировой войны Бейли продал 4 000 таких коллекторов, а бизнесмен из Флориды, купивший у него патент, к 1941 году продал почти 60 000 коллекторов. Введенное в США во время второй мировой войны нормирование меди привело к резкому падению рынка солнечных обогревателей. До всемирного нефтяного кризиса 1973 года эти устройства пребывали в забвении. Однако кризис пробудил новый интерес к альтернативным источникам энергии. В результате возрос спрос и на солнечную энергию. Многие страны живо интересуются развитием этой области. Эффективность систем солнечного отопления с 1970-х постоянно возрастает благодаря использованию для покрытия коллекторов закаленного стекла с пониженным содержанием железа (оно пропускает больше солнечной энергии, чем обычное стекло), улучшенной теплоизоляции и прочному селективному покрытию. Солнечная энергия восстанавливается без участия человека естественным путем и является одним из экологически безопасных источников. Ученые всего мира работают над разработкой систем, которые расширят возможности использования солнечной энергии. Один квадратный метр Солнца излучает 62 900 кВт энергии. Это количество излучения равно работе 1 миллиона электрических ламп.(10) Солнечная энергия может быть преобразована в полезную энергию и использоваться для активных и пассивных энергетических систем. Более масштабный способ использования солнечного света это строительство зданий, при проектировании которых, были учтены климатические условия, подобранны строительные материалы, максимально использующие солнечную энергию, для обогрева или охлаждения, освещения зданий. При таком проектировании сама конструкция здания является коллектором, аккумулирующем солнечную энергию. Такие здания экологически чистые, комфортные и энергетически независимые. Принцип активных систем использование солнечной энергии, при этом применяется солнечный коллектор. Он поглощает солнечный свет, превращая ее в тепло, которое через теплоноситель обогревает здания, нагревает воду и может преобразовать ее в электрическую энергию. Солнечные коллекторы могут использоваться в бытовых нуждах, сельском хозяйстве и в промышленности. 1.5 Целесообразность применения солнечных элементов в России Плотность солнечного излучения в средней полосе России выше, чем в ряде европейских стран, например Германии, где уже давно занялись проблемой освоения солнечной энергии. Россия имеет огромную площадь и не всегда есть возможность подвести электричество к отдельным объектам. Поэтому всё больше растёт интерес к использованию автономных электростанций и источников аварийного бесперебойного энергоснабжения с подпиткой от солнечной энергии. Заинтересованность в использовании солнечных электростанций всё больше увеличивается, учитывая постоянное снижение цен на солнечные элементы, производство некоторых из которых уже начато на территории России. Постоянно снижающаяся стоимость оборудования, экологичность и низкие эксплуатационные расходы делают автономные солнечные электростанции оптимальным выбором для отдельных объектов на территории России. Целесообразно использование сезонных солнечных водонагревателей, работающих в период с марта по сентябрь. Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему бака-аккумулятора 2 м2 на 100 л вероятность ежедневного нагрева воды в этот период до температуры не менее чем 37 оС составляет 50-90%, до температуры не менее чем 45 оС 30-70%, до температуры не менее чем 55 оС 20-60%. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.(9) 2. Виды солнечных коллекторов 2.1 Принцип действия солнечного элемента Системы активного солнечного теплоснабжения бывают двух видов: с жидкостным и воздушным теплоносителем. Системы с жидкостным теплоносителем греют воду или антифриз в “жидкостном” коллекторе, а в системах с воздушным теплоносителем в коллекторе греется воздух.[6] Как первая, так и вторая система улавливают и поглощают солнечное излучение и передают солнечное тепло либо внутрь помещения, либо в накопительную систему, из которой осуществляется распределение тепла по помещению. Если система солнечного нагрева не обеспечивает помещение необходимым количеством тепла, вдобавок к ней используются дополнительные системы обогрева. Коллектор на жидком теплоносителе более предпочтителен тогда, когда тепло перед подачей какое-то время аккумулируется в накопителе. Кроме того, этот вариант солнечного отопления хорошо подходит для систем лучистого отопления, бойлеров и радиаторов водяного отопления, а также для абсорбционных тепловых насосов и охладителей. Как жидкостная, так и воздушная системы могут дополнять принудительные системы отопления и охлаждения. 2.2 Вакуумный коллектор Эксплуатация вакуумных коллекторов основывается на принципе минимизации тепловых потерь за счет создания вакуумного пространства между поглотителем и стеклянным покрытием. Используя также и селективное покрытие поглотителя, сокращающее потери теплового излучения, коэффициент тепловых потерь можно снизить до 1,5 Вт/(м2К). Различают вакуумно-трубчатые и вакуумные плоские коллекторы. В вакуумнотрубчатых коллекторах поглотитель встроен в вакуумную стеклянную трубку. В коллекторном модуле друг около друга расположено от 6 до 30 вакуумных труб (диаметр 6,5-10см). В изолированной коробке стеклянные трубки подключаются к солнечной циркуляции.  Рис.1.3 Вакуумно-трубчатый коллектор в разрезе. Перенос тепла в трубах осуществляется либо посредством протекания теплоносителя через поглотитель. В первом случае жидкость-теплоноситель протекает через теплоносители каждой отдельной вакуумной трубки. В модели коллектора, изображенной на рис.1.3, используется коаксиальная двойная трубка, в которой теплоноситель втекает в поглотитель по внутренней, а вытекает по внешней трубке.  Рис 1.4 Вакуумная трубка коллектора с коаксиальной двойной трубкой с теплоносителем Специальное резьбовое соединение позволяет поворачивать вакуумные трубки вместе с поглотителем вокруг своей оси. Тем самым поверхность поглотителя удается установить таким образом, чтобы она откланялась от инсталляционной плоскости коллектора. Это является преимуществом в том случае, если установка инсталляционной плоскости коллектора непосредственно в сторону солнца невозможна. В вакуумной трубке с тепловой трубой полоска поглотителя имеет одну трубку, закрытую на обоих концах (рис.1.4). Ее внутренняя стенка покрыта тонкой пленкой воды либо алкоголя, которая испаряется при нагреве поглотителя. Нагретый пар поднимается к верхнему окончанию тепловой трубки (конденсатор), охлажденному солнечной циркуляцией. Это приводит к конденсации пара и передачи тепла теплоносителю солнечной циркуляции. Конденсат вновь проходит через тепловую трубку и образует тем самым жидкостную пленку на ее внутренней стороне. Поэтому минимальный угол наклона коллектора должен составлять 15-20 °С, в то время как вакуумно-трубчатый коллектор можно устанавливать и горизонтально. Процесс передачи энергии при испарении и конденсации продолжается так долго, пока солнечное тепло попадает с поглотителя в тепловую трубку и поглощается более холодным потоком теплоносителя солнечной циркуляции.  Рис. 1.5 Вакуумная трубка коллектора с сухим соединением. На рис. 1.5 показано соединение конденсатора и цепи солнечной циркуляции «сухим способом» с помощью блока теплопередачи. Существует другой способ соединения, при котором конденсатор непосредственно погружают в теплоноситель. Преимущества «сухого соединения» заключаются в том, что нет необходимости в гидроизоляции между тепловой трубой и цепью солнечной циркуляции, а также возможна замена каждой отдельной трубки в рабочем режиме коллектора. Форма стеклянных труб обеспечивает сопротивление силам, возникающим в вакуумном пространстве внутри них. Высокой производительности вакуумных коллекторов противопоставляется их высокая стоимость. Уменьшение зависимости теплоотдачи коллектора от высоты солнца напрямую связано с зеркальным эффектом, благодаря которому происходит данный процесс. Это способствует выравниванию тепловой мощности коллектора, как в течение дня, так и в течение всего года, что является существенным преимуществом такого типа коллекторов.  Рисунок 1.6 Зеркальный эффект. Преимущества вакуумного солнечного коллектора: Благодаря высокой теплоизоляции вакуумные солнечные коллекторы эффективно работают при низких температурах окружающей среды. Преимущество вакуумных коллекторов перед плоскими начинает проявляться при температуре воздуха ниже 5  . При отрицательных температурах воздуха вакуумным коллекторам альтернативы нет.Солнечные тепловые установки на основе вакуумных коллекторов могут применяться как для целей горячего водоснабжения, так и для отопления дома. При этом в летнее время можно полностью получать горячую воду от солнечного нагревателя. В остальное время года за счет энергии солнца можно получать до 60% горячей воды. Солнечная отопительная установка на основе вакуумных солнечных коллекторов может с успехом справляться с задачей поддержания минимальной заданной температуры дома весной и осенью. В зимнее время также можно рассчитывать на некоторую добавку тепловой энергии для отопления. Но она будет незначительна в декабре и январе. Поэтому обычно солнечную отопительную систему рассчитывают на работу в весенне-осенний период, а зимой она будет помогать основной системе теплового насоса. Недостатки: Вакуумные солнечные коллекторы являются высокотехнологичным и интересным в техническом отношении видом данной продукции. К сожалению, климатические условия нашей страны не всегда в полной мере позволяют реализовать их потенциал. Это касается негативного влияния снега и инея. Здесь следует иметь в виду, что вследствие отличных теплоизоляционных свойств вакуума, как снег так и иней могут держаться на коллекторах очень долго, длительное время после того как крыша здания полностью очистилась. 2.3 Плоские солнечные коллекторы На сегодняшний день плоский коллектор является самым распространенным. Он состоит преимущественно из поглотителя, прозрачного покрытия и корпуса коллектора. Поглотитель, расположенный внутри коллектора, преобразовывает солнечное излучение в тепло и отдает его теплоносителю.  Рис.1.7 Плоский коллектор. Задняя стенка коллектора имеет хорошую теплоизоляцию, передняя стороны – стеклянное покрытие. Стекло уменьшает потери излучения и препятствует утечки тепла в окружающую среду, как при парниковом эффекте. 1. Рама 2. Уплотнение 3. Прозрачное покрытие 4. Профиль боковой стенки рамы 5. Теплоизоляция 6. Поглотитель 7. Канал для теплоносителя 8. Шлиц для крепления 9. Задняя стенка Корпус коллектора может быть изготовлен из пластмассы, жести либо дерева. Теплоизоляцию задней стенки коллектора должен обеспечивать температуростойкий материал с хорошей теплоизоляцией. Так как температура в коллекторе может достичь 200 °С (если тепло в хозяйстве не используется), все компоненты системы также должны быть температуростойкими. С одной стороны, стеклянное покрытие передней стенки коллектора должно как можно лучше пропускать солнечные лучи, с другой стороны, удерживать тепло поглотителя как в парнике. Материал, из которого изготовлено покрытие коллектора, должен обладать следующими свойствами: • Высокая светопроницаемость на протяжении всей эксплуатации коллектора • Низкая степень отражения солнечных лучей • Защита от охлаждения ветром либо через конвекцию • Защита от влажности • Стабильность при механическом воздействии В качестве покрытия передней стенки коллектора в большинстве случаев используется термически обработанное стекло с низким содержанием железа.  Рис. 1.8 Парниковый эффект в коллекторе. Как видно на рис.1.8, видимое излучение (голубой график) без препятствий проникает сквозь стекло, так как в видимой области стекло имеет высокий коэффициент пропускания (зеленый график). Поглотитель черного цвета преобразовывает видимое излучение в тепло, в результате чего он сильно нагревается. Красный график показывает потери тепла при инфракрасном излучении, которое исходит от любого нагретого тела в соответствии с его температурой. Только малая часть инфракрасного излучения покидает коллектор, т.к. стеклянное покрытие коллектора препятствует этому. Для изготовления поглотителя тепла используется исключительно медь, сталь либо алюминий, причем существуют различные модели поглотителей. На рис. 1.9 изображены некоторые из них:  Алюминиевый поглотитель  Алюминиевый поглотитель с запрессованными медными трубами  Поглотитель, спрессованный из полосок жести и медных труб Рис.1.9 Виды поглотителей. Попадая на поглотитель тепла, солнечное излучение поглощается и лишь частично отражается. Таким образом, возникает тепло, которое передается во встроенные в металлическую пластину трубы, по которым течет теплоноситель. Теплоноситель поглощает тепло и передает его в накопительный резервуар. Основной акцент делается на том, чтобы поглотитель имел высокую способность поглощать свет и низкую способность излучать тепло в окружающую среду. Это достигается с помощью селективного покрытия, способствующего преобразованию коротковолнового солнечного излучения в тепло и снижающего длинноволновое излучение тепла. Раньше селективное покрытие состояло из черного хрома либо черного никеля.  Рис.2.1 Поглощение и излучение различных поверхностей. На рисунках 2.1, 2.2 коэффициент излучения коллектора с обыкновенным черным поглотителем сравнивается с поглотителем, имеющим селективное покрытие. При этом удается установить, что оба абсорбера поглотили относительно одинаковое количество солнечного излучения, однако отданное тепловое излучение у поглотителя с селективным покрытием значительно меньше, чем у обыкновенного поглотителя.  Рис. 2.2 Коэффициент излучения обычного черного поглотителя. У поглотителя с обыкновенным черным покрытием коэффициент излучения не зависимо от длины волн остается неизменным ε ≈ 0, 95 (Рис. 2.2) Следовательно, инфракрасное излучение беспрепятственно излучается, и задерживается только стеклянным покрытием на передней стенке коллектора (парниковый эффект). Т.е. стекло поглощает инфракрасное излучение, в результате этого оно нагревается. Стекло излучает тепло, которое и представляет собой тепловые потери коллектора. Поглотитель с селективным покрытием (Рис. 2.3), в противоположность этому, имеет совершенно другой характер излучения. Красная линия показывает инфракрасное излучение поглотителя с селективным покрытием, что составляет около 10 % инфракрасного излучения, выпущенного поглотителем с обыкновенным покрытием (прерывистая красная линия). Это приводит к меньшим потерям теплового излучения и меньшему нагреву стекла, а, соответственно, и к значительно меньшим потерям тепла.  Рис. 2.3 Коэффициент пропускания поглотителя с селективным покрытием. 2.4 Концентрирующий солнечный коллектор. Самый простой способ преобразования солнечной энергии в тепловую, состоит в использовании линзы, подобной той, которой каждый из нас пользовался в детстве. Если кусок газетной бумаги помещался в фокусе линзы, то через некоторое время он обязательно загорался. Принцип действия коллекторов с концентраторами солнечной энергии примерно такой же: тепловоспринимающая панель монтируется в фокусе линзы большого размера или зеркального отражателя, а вся установка регулируется так, что на тепловоспринимающую поверхность постоянно поступает солнечное излучение. Чтобы точно сконцентрировать прямой поток параллельных лучей, отражающая поверхность в сечении должна иметь форму правильной параболы. В качестве концентраторов, следящих за перемещением Солнца по небосводу, в основном используются параболоцилиндрические, имеющие форму водосточной трубы, разрезанной пополам, или параболоидные, похожие на круглую чашу. В фокусе параболоида достигается значительная степень концентрации излучения; в солнечных печах получают температуру свыше 2000°С, а на тепловых электростанциях - более 300°С. В случае параболоцилиндра степень концентрации солнечных лучей относительно небольшая, поэтому получаемая температура составляет 100 - 200°С.  Рис. 2.4 Концентрирующий солнечный коллектор. Если использовать в качестве концентраторов солнечного излучения большие линзы, выполненные из толстого слоя стекла, то они будут тяжелыми и очень дорогими, поэтому обычно для этой цели применяют линзы Френеля, у которых профиль канавок, как у пластинок, получают теснением.  Рис. 2.5 Коллектор с солнечным концентратором в виде линзы Френеля. а - общий вид; б - линза Френеля в увеличении; 1 - линза Френеля; 2 – солнечное излучение (прямой поток); 3 - собственно линза Френеля (акриловая смола); 4 - фокус (тепловоспринимающая панель). Возникает вопрос - почему же такие высокоэффективные фокусирующие коллекторы не применяют в солнечных домах. Дело в том, что существенным недостатком таких коллектора является необходимость использования следящего устройства, которое следовало бы за движением Солнца и ориентировало коллектор таким образом, чтобы сконцентрированное солнечное излучение постоянно поступало на солнечную панель. К тому же фокусирующие коллекторы гораздо дороже плоских. Кроме того, для систем теплохладоснабжения, а также горячего водоснабжения жилых домов не нужна такая высокая температура, следовательно, эти преимущества в данном случае не реализуются. Далее, коллекторы с концентраторами собирают только прямое солнечное излучение, поскольку концентрировать таким образом удается только параллельные лучи; рассеянное излучение эти коллекторы не фокусируют. В такой стране, как Япония, климат которой отличается влажностью, рассеянное излучение составляет 30-50%, поэтому в установках с концентраторами эта доля излучения не используется. Однако у фокусирующих коллекторов есть и положительные стороны, поэтому некоторые ученые думают о способах их использования без систем слежения за Солнцем. Первый способ состоит в установке оси параболо-цилиндрического зеркала по оси "восток-запад". Если зафиксировать угол наклона в соответствии с движением Солнца по сезонам, то отпадет необходимость почасового слежения за Солнцем и нужно будет ручным способом менять лишь угол наклона в соответствии с временем года. Второй способ предполагает сделать внутреннюю часть зеркального отражения более глубокой, чем у параболоида, и. Увеличить площадь тепловоспринимающей поверхности для того, чтобы солнечные лучи, отклонившиеся от главной оси, все Равно попадали на эту поверхность. Такой способ обычно применяют в коллекторах с составными параболическими концентраторами (СРС)1. В США он уже частично используется даже в системах теплохладоснабжения. Чтобы снизить стоимость вакуумированных трубчатых коллекторов, в них нередко применяют зеркальные отражатели. Уже давно высказываются различные мысли о возможности максимального концентрирования солнечного излучения без помощи параболоида. Однако эта проблема не решена. Только при использовании параболоида можно добиться, чтобы из фокуса излучение обратно шло параллельными лучами и наоборот - параллельные лучи собирает в фокусную линию только параболоид. 2.5 Характеристические линии КПД и области применения коллекторов В зависимости от сферы применения и данной области температур к коллекторам ставятся различные требования. На Рис. 2.5 изображены характеристические линии наиболее часто встречающихся видов коллекторов при силе облучения в 800 Вт/м2. Показатели КПД коллекторов указывают на то, какая доля излучения может быть выделена теплоносителем в качестве тепловой мощности коллектора.  Рис. 2.6 Сравнение КПД и рабочая температура различных коллекторов при облучении в 800 Вт/м². Различия показателей КПД обусловлены различным качеством теплоизоляции. Только при незначительной разности температур между поглотителем и внешней средой тепловые потери не имеют большого значения. При более существенной разнице температур, напротив, качество защиты от теплопотерь в значительной степени определяет полезную мощность.[7] Для подогрева воды в бассейнах в летнее полугодие разница температур между поглотителем и внешней средой составляет около 15 К. В этой области температур главным преимуществом простых солнечных поглотителей (отсутствие стеклянного покрытия) являются небольшие оптические потери. В этом случае КПД более дорогих коллекторов со стеклянным покрытием едва превышал бы КПД простых поглотителей, хотя установка первых связана с более высокими финансовыми расходами. Рабочая температура коллекторов для подогрева водопроводной воды составляет 20-60°С. Наиболее распространенные плоские коллекторы, с селективным покрытием поглотителя, имеют приемлемый для данной области температур КПД, который лишь незначительно уступает КПД вакуумных коллекторов. Простые солнечные поглотители, наоборот, в виду своих высоких потерь при таких температурах обладают недостаточной производительностью. При отоплении помещения поглотитель должен нагреться до температуры 40-60°С, для того чтобы передать тепло теплораспределительной системе либо накопителю. Понижение температуры окружающей среды во время отопительного сезона приводит к тому, что разницы температур между поглотителем и наружным воздухом становится больше, чем при подогреве воды, функционирующем преимущественно в летние месяцы. Тем самым преимущества вакуумных коллекторов становятся здесь очевидным. Для производства технологического тепла, напр. для чистки бутылок на пивоваренных заводах, необходимы еще более высокие температуры. В этих областях предпочтение отдается вакуумным коллекторам, т.к. по сравнению с другими гелиоустановками они несут наименьшие потери тепла. |