План заняття. 2 страница

Рисунок 9.7. Принципова схема сонячного теплопостачання.

1 – сонячний нагрівник; 2 – розширювальний бак; 3 – циркуляційний насос; 4 –бак-акумулятор; 5 –опалювальний котел.

Прикладом системи сонячного теплопостачання може служити схема, наведена на рис. 9.8, яка призначена для опалення і гарячого водопостачання жилого будинку у м. Колісне Одеської області [15].

Рисунок 9.8. Принципова схема системи тепло забезпечення житлового будинку.

1 – колектор; 2 – бак нагрітої води; 3 – електронагрівник; 4 – циркуляційний насос.

У схему включені три контури: теплоприймальнийіз системою циркуляції; опалення; гарячого водопостачання.

До складу першого входять сонячні водонагрівники, змійовик-теплообмінник бака-акумулятора, циркуляційний насос і теплообмінник «труба у трубі» для роботи у літній час у режимі природної циркуляції. Крім того, є система трубопроводів, що об'єднує всі ці елементи, арматура і контрольно-вимірювальні прилади.

Контур опалення складається з двох послідовно з’єднаних елементів: панельно-променистих опалювальних панелей із перепадом температури води 45...35°С і конвекторів «Комфорт» з перепадом температури води 75...70 °С. Останні забезпечують пікові навантаження системи опалення.

Колектори встановлюють під вікнами. Як дублер системи опалення служить електроводонагрівник потужністю 10 кВт.

До складу контура гарячого водопостачання входять теплообмінник, вбудований у бак-акумулятор, і другий електроводонагрівник, що служить для підняття температури води до потрібних значень, а також як дублер системи гарячого водопостачання.

Протягом опалювального періоду у першому контурі, що приєднаний до колектора, як теплоносій використовується 45 % -ний водний розчин етиленгліколю.

Необхідна температура повітря у приміщенні будинку підтримується автоматично регулятором РРТ-2, що впливає на роботу електронагрівника на дільниці системи опалення.

Влітку система забезпечує потреби гарячого водопостачання від теплообмінника типу «труба у трубі».

Ефективність системи сонячного теплопостачання підвищується при включенні у схему теплонасосної установки (ТНУ). Така система наведена на рис. 9.9. Вона складається з чотирьох контурів: теплоприймального із системою циркуляції теплоносія теплонасосної установки, опалення, гарячого водопостачанння.

1 – сонячний колектор; 2 – теплообмінник; 3 – розширювальний бак; 4 – електронагрівник; 5 – насос; 6 – бак-акумулятор; 7 – опалювальні панелі.

Рисунок 9.9. Схема системи опалення житлового будинку з тепло насосною установкою.

Застосовують й інші частково або повністю автоматизовані схеми сонячного теплопостачання жилих та громадських споруд, які наводяться у відповідній літературі.

1.6. СИСТЕМИ СОНЯЧНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ.

Сонячні холодильні установки поділяють на дві групи: із замкненим і розімкненим термодинамічними циклами.

1 – сонячний колектор; 2 – генератор; 3 – конденсатор; 4 – вентиль; 5 – охолоджене повітря; 6 – зовнішнє повітря; 7 – випарник; 8 – охолоджувальна вода; 9 – абсорбер; 10 – насос; 11 – теплообмінник.

До установок із замкненим циклом відносять водоаміачні абсорбційні холодильники. Для таких холодоагентів сонячні колектори мають більш складну конструкцію, оскільки повинні витримувати високі тиски холодоагента. Схема такої установки наведена на рис. 9.10.

Рисунок 9.10. Схема водоаміачної геліосистеми для охолодження повітря.

Як холодоагент використовують аміак, абсорбент—вода. Нагрітий у сонячному колекторі теплоносій при температурі приблизно 80 °С надходить у генератор. Аміак, що виділяється у генераторі, надходить у конденсатор, а потім через дросельний вентиль—у випарник. З випарювача аміак направляється в абсорбер, куди стікає слабкий розчин аміаку з генератора. З абсорбера міцний розчин холодоагента (аміак) у воді насосом подається у генератор. Теплота, що виділяється у абсорбері та конденсаторі, відводиться охолоджувальною водою.

Регенератор холодоагента (десорбер) виконаний у вигляді похилої площини, що сприймає сонячне випромінювання. Принцип роботи холодильної установки такий. Водний розчин бромистого літію подається у регенератор, де нагрівається до 45 °С. За рахунок випарювання води підвищується концентрація холодоагента. Міцний розчин бромистого літію надходить в абсорбер, де він поглинає водяні пари, що виділяються у випарнику. При цьому вода у випарнику охолоджується і подається споживачеві холоду.

У практиці водопостачання рекомендується використовувати абсорбційні сонячні холодильні установки (АХСУ) з відкритим термодинамічним циклом (рис. 9.11).

Рисунок 9.11. Принципова схема абсорбційної сонячної холодильної установки з відкритим термодинамічним циклом.

Теплота абсорбції відводиться охолоджувальною водою, яка циркулює по трубах, розміщених в абсорбері. У випарнику та абсорбері підтримується тиск 800...1000 Па за допомогою вакуум-насоса.

Значний практичний інтерес являють сонячні системи, що забезпечують як тепло, так і холодопостачання. Така система теплохолодопостачання споруджена в Алушті.

1.7. ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ.

Фотоелектрична генерація енергії зумовлена просторовим розподілом позитивних та негативних носіїв заряду при поглинанні у напівпровіднику електромагнітного випромінювання. У присутності електричного поля ці заряди можуть створити у зовнішньому ланцюгу електричний струм.

Обладнання, що грунтується на напівпровідникових переходах, називають фотоелементами. При використанні сонячного випромінювання їх називають сонячними елементами (батареями). Ці пристрої являють собою джерела електричної енергії, що працюють від потоку випромінювання.

За хімічним складом розрізняють прості (германій, кремній, алмази тощо) і складні (СdGеР₂, ZnGeP₂, CdSiP₂, ZnSiP₂ тощо).

Електропровідність напівпровідника суттєво залежить від наявності чужорідних домішок у кристалічній решітці.

Розрізняють акцепторну і донорну домішки. Акцептор—це дефект решітки, створений атомом стороннього елемента у напівпровіднику, який при збудженому стані здатний охопити електрон із валентної зони. Донор — дефект решітки, який при збудженні здатний віддати електрон у зону провідності. Домішковим є провідник, що містить донорні або акцепторні домішки, а власним — такий, що не містить таких домішок (рис. 9.12).

Рисунок 9.12. Зонна схема домішкового напівпровідника, який складається з донорної (п-типу) (а) та акцепторної (р-типу) домішок (б).

Відсутність вільних електронів веде до появи позитивно заряджених станів, що називають дірками, які переміщуються через речовину як вільні носії. Напівпровідники із домішкою акцепторних атомів мають як основні носії дірки і називаються напівпровідниками р-типу. Напівпровідники із домішкою донорних атомів мають основними носіями електрони провідності і називаються напівпровідниками n-типу (рис. 9.13).

І у першому, і в другому випадках у напівпровідниках також наявні носії заряду протилежного знака, алеїх концентрація набагато менша, ніж основних носіїв. Вони називаються неосновними носіями (електрони для матеріалу n-типу, дірки — для р-типу).

Рисунок 9.13. Об’єднаний основними носіями струму шар на контакті п-р-областей.

1 – іони донорів; 2 – іони акцепторів; 3 – дірки; 4 – електрони.

Область, в якій мають місце просторові зміни типу провідності від електронної до діркової, називають електронно-дірковим переходом, або p-n -переходом.

Між валентною зоною і зоною провідності існує енергетичний зазор, який називається забороненою зоною ΔE. Мінімальна енергія, достатня для переходу електрона з валентної зони у зону провідності, дорівнює ширині забороненої зони ΔE напівпровідника.

Електронно-дірковий перехід може бути споряджений металічними контактами, з'єднаними із батареєю. Контакти являють собою невипрямні переходи із низьким порівняно із обсягом матеріалу опором. При прямому зміщенні позитивний напрямок струму відповідає переходові від р до n-матеріалу через знижений потенційний бар'єр. При зворотному зміщенні потенційний бар'єр підвищується (рис. 9.14).

Рисунок 9.14. Ізольований перехід.

а – нульове зміщення р-п переходу; б – зворотне; в – пряме.

Вільні носії з'являються у матеріалі при нагріванні або освітлюванні. Сонячне випромінювання характеризується високою густиною потоку фотонів, і тому поглинання його напівпровідниковими матеріалами може різко збільшити швидкість виникнення електронно-діркових пар. Термічна генерація доповнюється до світлової. Генерація носіїв фотонами при освітленні Сонцем напівпровідника підсумовується із присутньою термічною генерацією. У темряві існує тільки термічна генерація. Під впливом генерації світлової і термічної відбувається розділ зарядів і виникає фото-ЕРС, яка веде до появи струму у замкненому зовнішньому ланцюгу.

Існує оптимальна ширина забороненої зони, за якої поглинане сонячне випромінювання максимально використовується для генерації електроенергії.

Найпоширенішими сонячними елементами, що випускає промисловість, є плоскі пластинчасті кремнійові елементи.

Крім того, широко використовуються СаАs і СdS.

Сполучення елементів, як правило, послідовне, можливе також і паралельне. У цьому випадку елемент виготовляється у вигляді решітки. Досить перспективне застосування тонкоплівкових сонячних елементів. Тонка плівка (порядку 10 мкм) напівпровідникового матеріалу (наприклад, СdТе або СdS) може бути нанесена різними методами: випаровуванням його у вакуумі, хімічним шляхом або шляхом катодної пульверизації. Схема тонкоплівкового сонячного елемента на основі телуриду кадмію (СdТе) наведена на рис. 9.15.

Рисунок 9.15. Тонкоплівковий елемент на основі телурида кадмія (СdТе).

Більш перспективними є тонкоплівкові сонячні елементи на основі сульфіду кадмію. Розроблені два типи тонкоплівкових cонячних елементів на основі СdS тильно- і фронтально-бар'єрний (рис. 9.16).,У першому випадку на скляну пластину наносять плівку двоокису олова, на яку— плівку сульфіду кадмію завтовшки від 2 до 50 мкм. На плівку СdS наносять шар сульфіду міді. При фронтально-бар'єрній конструкції сонячного елемента як основу використовують фольгу із молібдену. На фольгу наноситься шар сульфіду кадмію, а потім шар сульфіду міді. Освітлюється такий елемент із боку сітчастого контакту.

Рисунок 9.16. Тонкоплівковий сонячний елемент на основі сульфід кадмію-сульфіду міді.

а – задньо-бар’єрний; б – фронтально-бар’єрний.

Сукупність електричне поєднаних сонячних елементів утворює сонячну батарею (СБ).

Важливою характеристикою СБ є коефіцієнт корисної дії. Він дорівнює відношенню максимальної потужності W_mах, яку можна одержати із одиниці площі сонячних елементів, що складають СБ, до загальної потужності світлового потоку випромінювання Ф, що падає на одиницю поверхні СБ:

η_сб= (9.11)

1.8. ВИКОРИСТАННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ У СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОМУ ВИРОБНИЦТВІ.

Сонячна енергія багато у чому може вирішити енергетичну проблему в сільському господарстві, її можна використовувати у різноманітних виробничих процесах.

Для опалення тваринницьких ферм рекомендується застосовувати плоскі дахові колектори, їх монтують на південному схилі даху ферми. Теплоносієм служить вода. Для акумулювання теплоти використовується підземний резервуар (акумулятор). Нагріта у колекторі вода циркулює по пластмасових трубах, укладених у бетонній підлозі ферми.

При необхідності збільшити загальну площу сонячних колекторів їх доповнюють колекторами надземними. Окремо розташовані колектори мають переваги порівняно із вбудованими у будинок: можуть обслуговувати кілька будинків; їх площу можна поступово збільшувати, додаючи додаткові секції; кут їх нахилу вибирають згідно із вимогами місцевих умов, тобто незалежно від нахилу даху; розміщення колекторів та акумулятора легше поєднати. Акумулятори можуть бути як гравійні, так і водяні. У першому випадку як теплоносій для обігріву приміщення слід використовувати повітря.

У Золотоніському районі Черкаської області геліоустановка забезпечує підігрів води для потреб тваринницької ферми. Площа сонячних колекторів 225 м². Ємкість бака акумулятора 25 м³. Період роботи установки — квітень — вересень (180 днів). За цей час економія електроенергії складає 180 тис. кВт-год, палива — 22 т.

Великий економічний ефект отримується при поєднанні пасивної та активної геліоустановок. Одна із можливих схем наведена на рис. 9.17. У колекторах 10 повітря нагрівається до 30 °С і спрямовується у канали порожнистих блоків 7, розташованих під ділянкою ферми, де знаходяться поросята. Під блоками розміщена теплоізоляція, над блоками — піщана засипка 6, яка служить акумулятором. Для обігріву повітря, що надходить у приміщення свинарника, служить пасивна геліосистема.

Рисунок 9.17. Схема сонячного опалення для поросят з активною та пасивною системами.

1 – колектор пасивної системи; 2 – повітряний прошарок; 3 – підведена стіна свинарника; 4 – укриття; 5 – бетонна підлога; 6 – піщана засипка; 7 – порожнисті бетонні блоки; 8 – теплоізоляція; 9 – підземний повітровід; 10 – сонячний колектор.

Будь-яка споруда або закрита будівля типу теплиці являє собою об'ємний сонячний колектор і виконує також функції акумулятора. У південних районах їх можна використовувати для обігріву приміщень.

Одна із перспективних галузей використання сонячної енергії—це геліотеплиці. Розміщення теплиць, опалюваних за рахунок сонячної енергії, у південних і середніх районах України, де природна освітленість навіть у зимовий період достатня для вирощування світлолюбних культур, є рентабельним. У таких теплицях передбачають акумуляцію сонячної енергії за допомогою теплопоглинальних матеріалів. Вночі акумульована теплота передається повітрю, що спрямовується вентилятором у теплицю. Найпростішою є конструкція геліотеплиць, в якій грунт і основа під ним служать акумулятором теплоти, а сонячні колектори розміщені на будівельних конструкціях теплиці або поєднують із ними. (рис. 9.18, а, б, в, г). Крім того, є конструкції із виносними колекторами (рис. 9.18, д, е). Для підвищення ефективності системи сонячного теплопостачання теплиці у схемі передбачають теплонасосну установку (рис. 9.18, а).

Рисунок 9.18. Схема розміщення колектора в теплицях.

а – із тепловим насосом у системі; б – у теплиці з покрівельним опаленням із подвійних листів плексигласу, між якими тече теплоносій; в – із слідкуючи ми за сонцем відбивачами; г – із даховими колекторами; д – із автономними плоскими колекторами; е – з автономними колектором-акумулятором і тепловим насосом; 1,4,8 – колектори; 2 – акумулятор теплоти; 3 – тепловий насос; 5 – поворотні відбивачі; 6 – труби теплоносія; 7 – скляна огорожа; 9 – автономний колектор-акумулятор.

У геліотеплицях найчастіше застосовують систему повітряного опалення. Повітря або безпосередньо нагрівається у сонячних колекторах, або відбувається його нагрів у теплообміннику, де нагрівається водою, що надходить із колектора. Нагріте повітря подається по плівкових перфорованих трубопроводах у теплицю. У деяких випадках нагріта вода може подаватися у труби опалювальних пристроїв теплиці. Запропоновані також конструктивні вирішення, в яких нагріте у сонячних колекторах повітря спрямовується вентилятором у труби систем ґрунтового обігріву, де віддає теплоту теплоакумулюючому грунту. Нагромаджена за день у акумуляторі теплота передається повітрю, що проходить по підґрунтових трубах, яке потім спрямовується у теплицю.

Досвід експлуатації сонячних сушильних установок (ССУ) свідчить про їх високу ефективність. ССУ складаються із сонячного колектора, приміщення для сушіння, системи вентиляторів і повітропроводів. До системи сушильних установок іноді включають теплові насоси. У місцевостях, де інтенсивність сонячної радіації недостатня, установки обладнують тепловим дублером, що працює на органічному паливі. У колекторах ССУ як теплоносії використовують повітря. Схему геліосушарки амбарного типу наведено на рис. 9.19. Сонячний даховий колектор встановлений із нахилом. Нагріте у колекторі повітря надходить у шдпідлоговий простір, звідти — у приміщення зерносушарки. При шарі сіна у приміщенні 6 м площа сонячного колектора (дахового та настінного) має бути у 2...2,2 раза більшою, ніж площа підлоги сушарки.

Рисунок 9.19. Схема геліосушарки.

1 – світло прозора огорожа; 2 – тепло сприймальна поверхня колектора; 3 – вентилятор; 4 – сіно.

Для сушіння фруктів і овочів повітря, що нагріте у геліоколекторах до 60...70 °С, подається у камерні сушарки.

Така схема виключає можливість впливу на фрукти та овочі прямих сонячних променів. Тривалість такого сушіння удвічі менша порівняно із сушінням на відкритих майданчиках.

За дефіциту питної води використання сонячної енергії для опріснення морської чи солонуватої материкової води є досить перспективним. Розрізняють такі типи сонячних опріснювачів: парникові, похило-ступінчасті, оребрені та півциліндричні.

Найпоширеніші опріснювальні установки парникового типу. Вони складаються із пофарбованого у чорний колір бетонного піддону із прозорою кришкою. Випаровувана вода конденсується на прозорій кришці і стікає у водозбірні канали. ККД таких опріснювачів становить 30...60 %.

Більш економічні опріснювачі похило-ступінчастого типу, виконані із залізобетону. Якщо при цьому застосувати подвійне засклення, то продуктивність установки підвищується у 1,4...1,5 раза порівняно із продуктивністю установки із односкляним опріснюванням. Використовуються також дистиляційні установки із оребреного заліза або плівкові напівциліндричні опріснювачі.

Енергію Сонця використовують для підйому води і подачі її споживачеві за допомогою сонячних водопідйомних установок (СВУ). Для підйому води застосовують, крім того, фотоелектричні генератори.

Наведені приклади вказують на широкі можливості застосування сонячної енергії у різних галузях сільськогосподарського виробництва. Розрахунок сонячних колекторів, теплообмінників і баків-акумуляторів наведено у роботі [12,13].

Дата добавления: 2014-12-25