ОЦЕНКА ФАКТОРОВ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

ОЦЕНКА ФАКТОРОВ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Научная статья

Батухтин А.Г.¹, Басс М.С.², Требунских С.А.³

^{1, 2,3} Забайкальский государственный университет, Чита, Россия

Аннотация

В статье произведен факторный анализ по параметрам, влияющим на эффективность работы солнечных коллекторов. Определены соотношения между прямым и рассеянным солнечным излучением. Изучено влияние на эффективность коллектора температуры теплоносителя на входе, взаимное влияние двух теплоносителей при водовоздушной схеме, учтены оптические свойства коллектора. Даны предпосылки внедрения комбинированных коллекторов (предназначенных для нагрева воды и воздуха) для работы совместно с системами централизованного теплоснабжения.

Ключевые слова: солнечный коллектор, эксперимент, теплоноситель, эффективность

Key words: solar collector, experiment, heat-transfer agent, efficiency

В России для нужд отопления сжигается около 100 млн. тонн условного топлива в год. Целесообразность использования солнечной энергии для теплоснабжения потребителей заключается в частичном замещении топлива в энергетических установках, и, соответственно, снижении затрат на топливо, что предопределяет разработку новых конструктивных и схемных решений. Трудности в создании гелиоустановок обусловлены главным образом низкой плотностью потока солнечного излучения и существенной зависимостью от астрономических и метеорологических факторов. Выработка большого количества тепловой энергии, сосредоточенная в одном месте, требует создания установок солнечной энергии с большой лучевоспринимающей площадью, стоимость которых может значительно превышать стоимость традиционных источников энергии. Поэтому солнечная энергия наиболее рационально может быть использована непосредственно у потребителей (локальные, автономные гелиоустановки).

Опыт эксплуатации этих установок показывает, что в системах солнечного горячего водоснабжения (СГВС) замещается около 40 - 60% годового расхода топлива в зависимости от района расположения установок и времени года, а в системах солнечного отопления и СГВС замещается до 20 - 50% топлива.

При решении проблемы повышения эффективности совместного функционирования системы централизованного теплоснабжения и установок гелиоотопления необходима оценка факторов. определяющих эффективность солнечных коллекторов, внедрение которых позволит снизить энергоемкость экономики России.

Мощность солнечного излучения зависит от широты местности, времени года и суток. Кроме того, мощность солнечного излучения, практически достигающего поверхности Земли (т.е. за вычетом потерь в атмосфере), зависит также от состояния атмосферы (наличия облаков, тумана, пыли и т. п.). Так как состояние атмосферы зависит от многих случайных факторов, то суточные и годовые графики поступления солнечной энергии имеют сложный характер.

Зависимости изменения этих факторов можно представить двумя величинами:

- детерминированной, функционально связанной с временем суток, временем года (так называемое уравнение времени) и широтой местности;

- случайной, зависящей от метеорологических факторов.

Отметим, что мощность солнечного излучения, падающего на единичную площадку, существенно зависит от ориентации этой площадки. Так как положение Солнца относительно Земли непрерывно изменяется в течение года и суток, то для получения максимально возможной плотности мощности солнечного излучения углы наклона поворота должны меняться соответствующим образом, т.е. необходимо непрерывное слежение за Солнцем. Однако, как показали многочисленные работы, при этом сильно увеличивается стоимость солнечной установки и эксплуатационные издержки, превышая стоимость прибавки мощности от слежения. В этой связи для маломощных солнечных установок наиболее эффективными являются фиксированные солнечные приемники. Следует отметить, что ориентация фиксированного солнечного коллектора не очевидна. Это объясняется следующими причинами:

- плотность мощности солнечного излучения зависит от прозрачности атмосферы;

- зависимости прямого и рассеянного солнечного излучения имеют сложный многофакторный характер;

- график потребления тепловой мощности может быть сдвинут в течение суток относительно поступления солнечного излучения.

Рис. 1. – Расчётная траектория видимого движения Солнца 21 июня.

Рис. 2. - Расчётная траектория видимого движения Солнца 21 декабря  

Оптимальная азимутальная ориентация – это ориентация на географический юг, или астрономический (истинный) полдень. Оптимальный угол наклона к горизонту определяется высотой Солнца, которая существенно меняется в течение года и зависит от широты местности. Изменение высоты Солнца над горизонтом в дни летнего и зимнего солнцестояния для северной широты 52⁰6' проиллюстрировано на рисунках 1 и 2.

Соотношение между прямым и рассеянным солнечным излучением является величиной переменной, зависящей от времени года и времени суток, но известной для конкретной местности расположения коллектора. На рис. 3 изображен суточный график отношения количества рассеянного солнечного излучения к общему излучению при безоблачной погоде для условий г. Читы (Забайкальский край).

Рис. 3. – Суточный график отношение количества рассеянного солнечного излучения к общему при безоблачной погоде  

Таким образом, для ориентации солнечных коллекторов необходимы статистические данные о прозрачности атмосферы или о реальных суточных графиках поступающих через атмосферу потоков солнечной энергии. За солнечным излучением следят метеорологические станции в рамках государственных программ метеорологии, поэтому имеется достаточно статистических данных о графиках поступления солнечной энергии.

Солнечные водонагреватели по типу циркуляции могут быть активного или пассивного типов. Активные системы используют электрические насосы, клапаны и контроллеры для циркуляции теплоносителя через коллектор. Пассивные системы не имеют насоса и полагаются только на естественную циркуляцию, либо используется циркуляционный насос меньшей мощности. Активные системы обычно более дорогие, чем пассивные, но и более эффективны.

При пассивном типе необходимо бак-аккумулятор располагать выше коллектора для организации правильной циркуляции теплоносителя по контуру, если же бак-аккумулятор находится ниже коллектора, то в этом случае необходим циркуляционный насос. Режим течения при этом, как правило, ламинарный, следовательно коэффициент теплоотдачи меньше, чем при принудительной циркуляции, из-за пониженного теплосъёма температура лучевоспринимающей поверхности выше, а значит и потери с собственным излучением увеличиваются.

Конструктивно основными типами являются плоский коллектор и коллектор на тепловых трубах.

Одним из самых распространенных видов солнечного коллектора является плоский коллектор. Его производство стоит недорого, но без вакуумной изоляции такие коллекторы теряют больше тепла в при низких температурах окружающей среды. Плоские коллекторы состоят из плоскостного поглотителя, прозрачного и не дающего бликов стеклянного покрытия, теплоизоляции с оборотной стороны и рамы (чаще всего из алюминия или листовой стали).

Поглотитель чаще всего представляет собой покрытый темной краской металлический лист (например, сталь, медь, алюминий), который соединен с трубами, по которым движется теплоноситель. Слой поглотителя «собирает» солнечные лучи и превращает их в теплоту, которая потом передается жидкой среде, которая в свою очередь поступает в бак-аккумулятор. Стеклянное покрытие коллектора защищает поглотитель от влияния окружающей среды и снижает потери тепла, обеспечивая парникового эффекта. Подавление бликов уменьшает потери от отражения солнечных лучей. Теплоизоляция минимизирует конвективную потерю тепла боковыми и задней стенкой коллектора.

Коллектор, состоящий из тепловых труб, так же как и плоский коллектор, собирает солнечные лучи и превращает их в тепло. Лучевоспринимающие поверхности помещены в вакуумную стеклянную трубку, чтобы предотвратить конвективную потерю тепла. Поверхность, как правило, выполнена гофрированной, такие солнечные коллекторы часто называют перьевыми. В большинстве случаев каждый отдельный элемент легко вращается, что позволяет идеально выровнять его по солнцу и увеличить поступление тепла в коллектор.

Для плоского водяного коллектора наилучшим решением с теплофизической точки зрения следует считать одинарное антибликовое остекление с вакуумом между стеклом и лучевоспринимающей поверхностью. Для водовоздушного коллектора приходится применять двойное остекление, что даже для стекла с невысоким коэффициентом преломления снижает КПД коллектора до 10 и более процентов.

От степени преломления зависит пропускная способность стекла, особенно при малых углах падения лучей, характерных для утренних и вечерних часов при полуденной ориентации коллектора. Снижение коэффициента преломления с 2 до 1,6 позволяет повысить КПД коллектора на 5-6 % в случае одинарного остекления и до 10 % при двойном остеклении. Таким образом, при использовании двойного остекления необходимо выбирать стекло с наименьшим показателем преломления. При одинарном остеклении качество стекла сказывается заметно, но не столь критично.

Известно, что существенный вклад в тепловые потери вносит собственное излучение лучевоспринимающей поверхности. Поэтому важной задачей является снижение температуры поверхности за счёт омывания её теплоносителем. Плоские СК, в которых теплоноситель контактирует со значительной площадью поверхности, охлаждаются лучше, и поэтому при прочих равных условиях (одинаковое покрытие, вакуумная изоляция) охлаждаются лучше, чем СК на тепловых трубах. Степень охлаждения в таких коллекторах определяется главным образом температурой теплоносителя. Чем выше температура, тем меньше будет охлаждаться СК и, соответственно, ниже будет его КПД. Так, при температуре равной 10 С мгновенный КПД перьевого коллектора составляет 74 %., а плоский с вакуумной изоляцией –  86 %. При входной температуре теплоносителя 40 С, КПД перьевого коллектора уменьшается до 60 %, а плоского – до 66 %.

Применение селективных покрытий значительно уменьшает потери с собственным излучением. Эти покрытия достаточно дороги, поэтому их имеет смысл применять в тех случаях, когда требуется нагревать в СК теплоноситель с достаточно высокой исходной температурой. Для нагрева холодных теплоносителей можно использовать поверхности, покрытые неселективной чёрной краской. При увеличении температуры воды на входе с 10 до 60 С КПД коллектора на тепловых трубах с селективным покрытием снижается с 85 % до 81 %. При неселективном покрытии падение КПД составило бы с 75 % до 48 %. Плоский коллектор с вакуумной изоляцией и неселективным покрытием снижает КПД с 85 до 55 %.

Наивысший КПД достигается при подаче на вход проточной воды с низкой температурой. Циркуляция воды через бак-аккумулятор неизбежно приводит к превышению температуры воды на входе и соответствующему снижению КПД коллектора.

Увеличение скорости движения жидкости в трубах приводит к росту коэффициента теплоотдачи и снижению одной из основных составляющих термического сопротивления солнечного коллектора. Но значительный эффект наблюдается лишь при смене режима течения с ламинарного на турбулентный, рост при этом КПД составляет около 5-7 % и в дальнейшем поднимается слабо. Дальнейший рост скорости, не приводя к заметному снижению термического сопротивления, вызовет повышенные потери напора, и поэтому нецелесообразен.

Рис. 4. - Сравнение экспериментально измеренных значений плотностей тепловых потоков в течение суток с теоретически рассчитанными, кВт/м².  

При использовании двух теплоносителей осуществляется сложный теплообмен между водой, текущей в трубах и воздухом, омывающим пластину, в свою очередь нагреваемую солнечными лучами. Если температура воздуха выше, чем воды, то вода будет дополнительно нагреваться, в противном случае – охлаждаться, нагревая воздух. Нагрев воздуха в коробе коллектора обусловлен в том числе и парниковым эффектом.

Полезно воспринятая водой теплота за летние сутки в водовоздушном коллекторе составила 3,52 кВт*ч/м². Водяной коллектор полезно воспринял 2,63 кВт*ч/м², что на 25 % ниже. Селективное покрытие способно увеличить суточный эффект более чем на 10 %. Применение высококачественного стекла с показателем преломления 1,6 дополнительно повысит суточную тепловую мощность на 15-20 %.

Расчётная кривая, как правило, показывает большие значения, поскольку приводится для абсолютно безоблачного неба. В то же время за счёт сложного отражения от облаков реальный тепловой поток может превысить расчётный (рис. 4). Здесь ВВСК - водовоздушный солнечный коллектор, ВСК - водяной солнечный коллектор.

Рис. 5. – Изменение температуры наружного воздуха, поступающего в короб, и его нагрев в коробе в течение суток, С.

Влияние характеристик воздушного пространства определяется тем, что остекленный короб обладает парниковым эффектом, который увеличивается с ростом числа слоёв стекла. При сравнительно небольших скоростях воздух, проходя через короб, нагревается более чем на 20 С в полуденное время. Чем выше температура воздуха в коробе, тем более интенсивен теплообмен между воздухом и водой и, соответственно, выше тепловая эффективность по водяному теплоносителю.

В случае если температура наружного воздуха достаточно низка, в утренние и вечерние часы происходит охлаждение водяного теплоносителя. В середине светового дня, когда угол падения солнечных лучей на лучевоспринимающую поверхность приближается к прямому, водяной теплоноситель также нагревается вместе с воздушным.

Рис. 6. – Совместный нагрев воды и воздуха в безоблачный день, ⁰С.  

Рис. 7. – Удельное тепловосприятие водовоздушного плоского коллектора в безоблачный день, Вт/м².  

Несмотря на охлаждение водяного теплоносителя в начале и конце светового дня, суммарное суточное тепловосприятие по обоим теплоносителям, отнесенное к единице площади, составило 6 кВт*ч/м².

Основной характеристикой определяющей эффективность работы коллектора является температура теплоносителя. Сравнительные характеристики эффективности водяного коллектора при различных температурах воды на входе приведены на рис. 8-9.

Рис. 8. – Тепловосприятие водяного плоского коллектора (t_вх=5⁰С)

Рис. 9. – Тепловосприятие водяного плоского коллектора (t_вх=70⁰С)  

Значительное снижение эффективности водяных коллекторов с ростом температуры теплоносителя определяет необходимость разработки других подходов при внедрении гелиоустановок в системы централизованного теплоснабжения.

В настоящее время разработано значительное количество различных схем использования энергии солнца в системах ГВС и водяного отопления. Отопление помещений теплым воздухом на основе источников теплоты различных типов позволяет во многих случаях значительно уменьшить капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Применение гелионагрева с использованием солнечных коллекторов различного типа в системах воздушного отопления позволит значительно повысить эффективность таких систем, а также увеличит степень замещения традиционных источников теплоты. В таких системах нагревается, в зависимости от температурного режима, вода или воздух, либо осуществляется совместный нагрев воды для нужд ГВС и воздух для отопления. Поскольку наша конечная задача – нагрев воздуха в помещении, то именно такие комплексы позволяют достичь максимальной эффективности, исключив все промежуточные процессы и преобразования. В качестве источника тепла они могут использовать как тепло сгораемого топлива, так и тепло, получаемое солнечными коллекторами.

Финансирование

Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ ГК №16.120.11.2780-МК.

Список литературы / References

1. Батухтин А.Г., Батухтин С.Г. Современные методы повышения эффективности совместной работы установок гелиоотопления и систем централизованного теплоснабжения. // Научно-технические ведомости СпбГТУ– Спб., 2009–№ 3 – С. 48-53.
2. Мирошников С.Ф., Басс М.С., Требунских С.А., Батухтин С.Г. Комбинированное применение солнечных коллекторов в системах воздушного отопления. Проблемы безопасности жизнедеятельности Забайкальского края. Вестник МАНЭБ т. 14, №3. Санкт-Петербург – Чита. 2009. С. 85 – 87.