5.1 Сонячні установки для отримання гарячої води

 

Використання енергії сонця для отримання тепла дозволить економити енергетичні ресурси та зменшувати теплове навантаження на будинок завдяки зменшенню інсоляції  на покрівлю будинку та  відбору тепла на потреби господарства.

При передачі тепла від сонця до споживача енергія зазнає значних трансформацій. Випромінення електромагнітних хвиль сонцем здійснюється в діапазонах ультрафіолетових хвиль  – довжина хвилі  λ = 0,02…0,4 мкм, світлових хвиль – λ = 0,4…0,8 мкм, інфрачервоних хвиль λ = 0,8…800 мкм. Випромінення саме інфрачервоних хвиль має найбільший ефект трансформації енергії хвиль в тепло. Тверді тіла можуть мати спектр випромінення по всьому діапазону довжин хвиль, а гази  випромінюють тільки в певних спектрах. На випромінення тіл суттєвий вплив має температура, і при зростанні нагріву тіла вище 650 °С переважним шляхом теплообміну є теплове випромінення. Найбільш інтенсивно даний вид теплопередачі проявляється у вакуумі чи в розріджених середовищах. Середовища, через які проходить променева енергія, по-різному поглинають і випромінюють енергію. Вуглекислий газ, пари води та інші триатомні гази пропускають випромінення тільки в вузькому діапазоні довжин хвиль, сухе повітря добре пропускає проміні, але при збільшенні вологості повітря зростає його здатність до поглинання. Вибіркову проникність мають різні матеріали: віконне скло проникне для світлових променів, але майже непроникне для теплових і ультрафіолетових променів, кам’яна сіль  непроникна для ультрафіолету, але проникна для інфрачервоного випромінення тощо. Німецький фізик Г. Кірхгоф встановив закономірність: в умовах термодинамічної рівноваги відношення здатності випромінення до здатності поглинання для всіх тіл однакове і дорівнює здатності випромінення абсолютно чорного тіла при тій же температурі.  Абсолютно чорне тіло – це уявне тіло, що має здатність поглинати всі промені, що на нього потрапляють і випромінювати енергію в усьому діапазоні довжин хвиль з максимальною можливістю при даній температурі [13, 26, 28, 79, 87].

Сумарна енергія випромінення, що потрапляє на тіло, може повністю поглинатися даним тілом, повністю віддзеркалюватися або проходити крізь тіло без трансформації. В природі абсолютно білих або чорних тіл не існує, тому реально відбуваються всі три процеси – поглинання, віддзеркалення і пропускання потоку. Відношення віддзеркаленої енергії до сумарного потоку називається віддзеркалюючою здатністю тіла R; відношення поглинутої енергії до сумарного потоку називають поглинальною здатністю тіла A; відношення пропущеної крізь тіло енергії до сумарного потоку називають пропускною здатністю тіла D. Під ступенем чорноти реального тіла ε мають на увазі відношення випромінюючої здатності тіла E до випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла E₀

                                            (5.1)

 

Тобто, ступінь чорноти тіла – це те ж саме, що і поглинальна здатність тіла А. На дану характеристику тіл суттєве значення має шорсткість поверхні і стан покриття поверхні тіла. Так, окислена мідь має ε = 0,7 , а ретельно відполірована поверхня мідної пластинки має ε = 0,02. Необхідно розуміти, що видимий колір поверхні не дає уявлення про ступінь чорноти тіла, так, наприклад, папір білий і лак білий (ε = 0,8…0,9) мають таку ж ступінь чорноти, як і чорний лак або сажа ε = 0,95, хоча оком вони сприймаються як білі тіла. Це обумовлено тим, що біла за кольором поверхня добре віддзеркалює світлові промені, які є лише складовою всього діапазону випромінення, а інфрачервоні хвилі сприймаються поверхнею залежно від її шорсткості.

Сонце є невичерпним джерелом енергії, але використання його енергії безпосередньо в кліматичних умовах України потребує розробки необхідних режимів експлуатації та комплексного поєднання різних енергетичних джерел. Сучасні спостереження свідчать, що починаючи з листопада місяця і по квітень в Україні наявні пахмурні дні, кількість сонячних днів в останні роки скоротилося, і це пов’язано з глобальними змінами клімату. Літом, навпаки, зростає середня температура і кількість ясних днів достатня для виробництва енергії з випромінення сонця. Питоме інсоляційне навантаження залежить від широти місцевості, і в середньому складає: в субтропіках 210…250 Вт/м², в центрі Європи 130…210 Вт/м² , на півночі Європи 80…130 Вт/м² . Використання сонячної енергії в теплий період року доцільно виконувати за допомогою сонячних колекторів з подальшим транспортуванням теплоносія на потреби господарства (рис. 5.1 – 5.4).

Рисунок 5.1 – Сонячні колектори Vitоsol

 

Колектор сонячної енергії призначений для уловлювання променевої енергії, перетворення її в теплову і передачу проміжному теплоносію.

Робота колектора ґрунтується на законах оптики. На рис. 5.2 показано типову конструкцію колектора

Рисунок 5.2 − Схема сонячного колектора:

 

1 – теплоізольований корпус колектора; 2 – трубки з нанесеним абсорбуючим покриттям, по яких циркулює теплоносій; 3 – панель, що пропускає сонячне випромінення світлового діапазону (скляна або пластикова);                                               4 – світлопоглинальна поверхня (абсорбер).

Даний колектор працює таким чином. Сумарний світловий потік Q_заг (прямий і розсіяний) потрапляє на поверхню панелі 3 і частка сонячної енергії світлового діапазону Q_проп проникає у колектор, а промені інфрачервоного випромінення віддзеркалюються разом з іншою часткою світлових променів. Загальний віддзеркалений потік складає Q_від. Світлові промені потрапляють на поверхню абсорбера 5. Необхідно враховувати, що основна частина енергії сонця переноситься саме світловими променями, тому кількість тепла, що проходить у колектор Q_проп

Абсорбером називають сукупність пристроїв – промене- поглинальних поверхонь і трубок, по яких протікає рідкий теплоносій. На абсорбері відбувається трансформація світлової енергії в  теплову. За рахунок особливих властивостей абсорбера, що наноситься у вигляді надтонких плівок на поверхню трубок, світлові промені змінюють свою довжину перетворюючись на інфрачервоні. Певна частина енергії віддзеркалюється всередину колектора. Але віддзеркалення відбувається вже в інфрачервоному діапазоні, тому  панель 1 для нього непроникна і колектор працює як  сонячний «капкан» − запускає всередину енергію світлового діапазону і не випускає інфрачервоні промені. Поверхня абсорбера повинна мати високу поглинальну здатність відносно світлової енергії і низьку ступінь чорноти для інфрачервоного випромінення.

В практичних розрахунках питоме теплозасвоєння сонячного колектора визначається за формулою

Таблиця 5.1 – Технічні характеристики сонячних колекторів

      Vitosol 100

Технічні характеристики	Одиниця вимірювання	Тип
		SV1	SH1
Площа брутто	м2	2,51	2,51
Площа поглинача	м2	2,30	2,30
Площа колектора	м2	2,32	2,32
Розміри Ширина Висота Глибина	мм мм мм	1056 2380 90	2380 1056 90
Оптичний к.к.д, ηопт	%	81	81
Коефіцієнт теплових втрат k1	Вт/(м2 · K)	3,48	3,48
Коефіцієнт теплових втрат k2	Вт/(м2 ·K)	0,0164	0,0164
Питома теплоємність колектора	кДж/(м2 · K)	6,4	6,4
Маса	кг	52	52
Обсяг рідини (теплоносія)	л	1,83	2,48
Припустимий робочий тиск	бар	6
Максимальна температура в стані простою	°C	221	221
Підключення: діаметр трубопроводу	мм	22	22

Розрахунковий градієнт необхідно приймати відповідно до рекомендацій виготовлювача колекторів. Для колекторів Vitosol залежність між ККД колектора і температурним градієнтом наведено на рис. 5.3. Колектори втрачають тепло за рахунок конвекції, теплопровідності і випромінення, що, відповідно, враховується коефіцієнтами теплових втрат k¹ і k².

 

Рисунок 5.3 − Залежність ККД колектора від різниці температур

 

A – Vitosol 100, тип SV1/SH1; B – Vitosol 100, тип 5DI; C – Vitosol 200;

D – Vitosol 300

Характерні робочі діапазони:

1 – Геліоустановка для готування гарячої води при малій частці сонячної енергії; 2 – Геліоустановка для готування гарячої води при підвищеній частці сонячної енергії; 3 – Геліоустановка для готування гарячої води й підтримки опалення; 4 – Геліоустановка для технологічного тепла .

 

При монтажі колектора необхідно дотримуватися певних вимог: кут розташування колектора до горизонту повинен знаходитися в межах 25°…55°, відхилення орієнтації колектора від півдня допускається на захід або схід на кут не більше 45 °.

Колектор повинен працювати з акумулятором тепла. Найчастіше таким акумулятором виступає ємнісний водонагрівник, де відбувається згладжування нерівномірності споживання тепла та його акумуляція. Схему обв’язки геліоколектора і акумулятора наведено на рис 5.3.

По абсорберу протікає теплоносій, який в процесі проходження крізь колектор нагрівається і переносить тепло до споживача. Кількість тепла, що переноситься, визначається за формулою

Рисунок 5.4 − Обв’язка геліоколектора з акумулятором тепла: 

 

 1 – сонячний колектор; 2 – автоматичний повітроспускник;   3 – ізольовані трубопроводи циркуляції теплоносія; 4 – запобіжний клапан;    5 − розширювальний бак; 6 − циркуляційний насос; 7 – зворотний клапан;   8 – термометр – манометр; 9 − запірно-регулювальна арматура; 10 – бойлер непрямого нагріву (акумулятор тепла); 11 – теплообмінник акумулятора тепла; 12 – теплообмінник, який відбирає тепло

         Рекомендовано приймати мінімальну витрату в колекторі 25 л/ г · м²,

швидкості руху теплоносія в межах 0,4…0,7 м/с. При дотриманні даних вимог питомі втрати напору в системі циркуляції будуть знаходитися в межах 80…250 Па/м. Детальні значення необхідно брати з каталожних значень.

Акумулятори теплової енергії. Акумулювання викликане нерівномірністю надходження теплової енергії протягом доби. Максимальна сонячна активність припадає на обід, тоді як максимальний водорозбір відбувається вранці і ввечері. Акумулятори працюють за принципом циклічної роботи: зарядження акумулятора і його розрядка. Температура робочого середовища може набувати різних значень залежно від кінцевого споживача енергії: при повітряному опаленні t_a ≈ 30 °C, при гарячому водоспоживанні  t_a ≈ 60 °C, при опаленні t_a ≈ 80 °C. Акумулятор – це ємність, середина якої заповнена теплоакумулюючими матеріалами: вода, камінь, повітря та інші. Енергоємність акумулятора – це кількість тепла, Дж, що поглинається акумулятором при його нагріві від температури t₁ до t₂ , °С

Таблиця 5.2 – Значення теплоємності матеріалів, що можуть використовуватися в теплоакумуляторах

Матеріал	Теплоємність кДж/(кг× К).	Матеріал	Теплоємність кДж/(кг× К).
Базальт	0,84	Вода чиста (20°С)	4,182
Граніт	0,84..1,26	Вода чиста  (80°С)	4,196
Цегла	0,84	Парафін рідкий	2,13
Мармур	0,80	Морська вода (18°С, 3% солі)	3,93
Щебінь	0,75…1,0	Парафін твердий	2,19

  Відношення енергоємності акумулятора до його об’єму називається питомою енергоємністю, Дж/м³

                                               (5.7)

За конструкцією теплоакумулятори поділяються на рідинні з твердою насадкою і з легкоплавким матеріалом-заповнювачем. Акумулювання відбувається рекуперативним шляхом – коли тепло передається через теплопровідну стінку без змішування заповнювача акумулятора і теплоносія, регенеративним шляхом – шляхом поступового нагріву і охолодження твердого теплоакумулючого матеріалу, шляхом зміни фазового стану акумулюючого матеріалу.

         В аккумуляторах, які заповнені твердими теплоакумулючими матеріалами, зарядка відбувається шляхом проходження розпеченого повітря  чи гарячої води наскрізь шари матеріалу. В процесі обміну теплом теплоносій охолоджується, а акумулятор заряджається. Розрядження акумулятора здійснюють  зворотним шляхом – пропусканням холодного повітря чи води через шар твердої насадки. В акумуляторах з легко- плавних матеріалів передача тепла здійснюється при нагріванні речовини і її плавленні. Енергоємність такого акумулятора визначається згідно з формулою

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для парафіну = 47°С, r = 209 кДж/кг.  Акумулятори  з легкоплавним матеріалом поглинають в 5…12 разів більше тепла, ніж акумулятор з речовиною, що не плавиться.

         Акумулювання тепла дозволить використовувати цілодобову гарячу воду на потреби біогазового реактора: в літній час на підігрів субстрату калорифером, а в зимовий на розбавлення гарячою водою органічних відходів до досягнення необхідної вологості.