Сонячні колектори

Сонячні колектори використовуються для нагрівання води і опалення приміщень. Принцип їх роботи полягає у циркуляції води через теплообмінник, де вона нагрівається сонячним випромінюванням, і подачі нагрітої води в систему опалення чи гарячого водопостачання. Виділяють пласкі і вакуумні сонячні колектори.

Конструкція колекторів

Плаский колектор складається з теплоізольованої панелі в якій знаходиться пластина поглинача. Поглинач виготовляється з теплопровідного металу (найчастіше з міді або алюмінію). Пластина поглинача обробляється спеціальним покриттям, яке має високу поглинаючу здатність у видимій області спектру і низьким коефіцієнтом випромінювання у інфрачервоному спектрі. Для зменшення втрат тепла передню частину колектора покривають склом, а задню і бокові – теплоізолюючим матеріалом. Конструкція плаского колектора показана на рис. 6.

Рис. 6. Конструкція плаского колектора

Спрощеним варіантом плаского колектора є пластиковий колектор, абсорбер якого виготовляється з пластику. Як правило він не ізолюється, тому використовується лише в літню пору в основному для підігріву басейнів.

Вакуумні колектори складаються з вакуумованих трубок, в кожній з яких знаходиться мідний абсорбер з титановим покриттям, що гарантує високий рівень поглинання сонячної енергії, а вакуумований простір дозволяє звести до мінімуму втрати на теплопровідність. В абсорбері встановлюється коаксіальний (трубка в трубці) теплообмінник, через який теплоносій отримує тепло від абсорбера. Конструкція вакуумного колектора показана на рис. 7.

Рис. 7. Конструкція вакуумного колектора

При використанні в якості теплоносія води плаский і вакуумний колектори можливо використовувати лише при температурах вище нуля. Для усунення цього обмеження розроблені вакуумні колектори з тепловою трубкою. Вони складаються з двох скляних або металічних трубок, які вставлені одна в одну і розділені вакуумом. Зовнішня трубка має таку ж конструкцію як у звичайного вакуумного колектора і виконує функцію абсорбера. Всередині абсорбера розміщується теплова трубка з рідиною, з низькою температурою кипіння. Під дією теплоти абсорбера рідина випаровується і піднімається у верхню частину трубки, яка з’єднана з теплообмінником по якому протікає вода. В теплообміннику гази рідини конденсуються і віддають енергію воді. Цей тип колектора може працювати при температурі -30°С, якщо теплова трубка виготовлена зі скла і при -45°С, якщо вона металева. Конструкція вакуумного колектора з тепловою трубкою показана на рис. 8.

Рис. 8. Вакуумний колектор з тепловою трубкою

Коефіцієнт корисної дії сонячних колекторів

ККД сонячного колектора виражає відношення корисної теплової енергії відведеної від абсорбера до виділеної на ньому енергії сонячного випромінювання. Втрати енергії мають дві складові: оптичну і теплопровідну. В колекторах оптичні втрати виникають при відбиванні сонячного випромінювання від поверхні скла і абсорбера. Оптичний ККД η_К0 є максимально можливим і досягається при нульовій різниці температур між абсорбером і навколишнім середовищем, коли втрати на теплопровідність відсутні. Зі збільшенням різниці температур ΔТ втрати на теплопровідність зростають майже лінійно. Оптичний ККД η_К0 плаского колектора дещо більший ніж у вакуумного. Однак за рахунок менших теплових втрат вакуумні колектори мають більший сумарний ККД при великій різниці температур між абсорбером і навколишнім середовищем (30°С і вище).

Спрощена формула для розрахунку ККД колекторів η_К є такою:

, (8)

де Р₁ – потужність потоку випромінювання, що падає на 1 м² площі колектора,

k – коефіцієнт, що враховує ступінь теплоізоляції колектора, для плаского колектора k = 3-5, вакуумного k = 0.7-1.1, пластикового k = 40..100.

Насправді залежність ККД від різниці температур ΔТ має нелінійний характер і залежить від величини потужності випромінювання Е. Тому на практиці ККД колектора визначається експериментально. Типова залежність ККД різних типів колекторів показана на рис. 9.

Рис. 9. Типова залежність ККД сонячних колекторів

Застосування сонячних колекторів

До складу системи опалення і ГВП на основі сонячних колекторів завжди входить бак, в якому накопичується нагрітий теплоносій. Його об’єм розраховується з граничної умови: якщо бак відключений від споживача, температура води в ньому протягом дня не повинна перевищити 95-100°С. В залежності від типу системи до її складу може входити терморегулятор і насос. Системи на основі сонячних колекторів класифікуються за наступними ознаками.

1. Кількість контурів циркуляції теплоносія: одно- або двоконтурні.

2. Тип циркуляції теплоносія: активна або пасивна.

В одноконтурній системі в колекторі нагрівається вода, яка потім подається в систему опалення і ГВП.

Переваги одноконтурних систем:

- простота конструкції;

- найвищий ККД.

Недоліки:

- необхідність використання якісної води (з низьким вмістом солей);

- пришвидшена корозія трубопроводів через наявність розчиненого повітря у воді;

- робота системи неможлива при мінусових температурах через ризик замерзання води трубопроводах.

Внаслідок вказаних недоліків строк служби одноконтурної системи складає 3-5 років.

В двоконтурних системах по трубопроводах колектора циркулює незамерзаючий теплоносій, який передає свою енергію воді системи опалення і ГВП через теплообмінник.

Переваги двоконтурних систем:

- уповільнення процесів корозії;

- можливість роботи при від’ємних температурах.

Недолік:

- зменшення ККД системи на 5-10%.

Строк служби двоконтурної системи складає 10-30 років.

До складу геліосистеми з пасивною циркуляцією теплоносія входить колектор і бак, рис. 10. Бак для організації пасивної циркуляції повинен обов’язково знаходитись вище сонячного колектора. В такій системі нагрітий у колекторі теплоносій, розширюючись, переміщується у верхню частину колектора і потрапляє у бак. Одночасно з баку витискується теплоносій з найнижчою температурою і потрапляє у колектор. Для подачі холодної води бак під’єднується до системи холодного водопостачання.

Перевага пасивних систем:

- простота конструкції.

Недоліки:

- великі втрати через низьку швидкість циркуляції води;

- через необхідність встановлювати бак вище колектора, часто він знаходиться на відкритому повітрі, що додатково збільшує теплові втрати;

- залежність швидкості циркуляції води від температури.

Рис. 10. Геліосистема з пасивною циркуляцією теплоносія

В геліосистему з активною циркуляцією теплоносія входить електричний насос. Співвідношення між споживанням електричної енергії і енергією нагрітої води приблизно становить 1:50, що свідчить про високу ефективність таких систем. До складу активних систем додатково входить нагрівач і терморегулятор. Геліосистема з активною циркуляцією показана на рис. 11.

Рис. 11. Геліосистема з активною циркуляцією теплоносія

Геліосистеми з пасивною циркуляцією носія доцільно застосовувати в тропічних країнах при невеликій площі колекторів (до 10 м²), в помірних широтах більшість часу вони працюватимуть неефективно через повільну циркуляцію рідини. При великій кількості колекторів рекомендовано встановлювати системи з активною циркуляцією теплоносія.

Для широт України оптимальною є двоконтурна система з активною циркуляцією рідини. Такі системи використовуються разом зі звичайними котлами у системі опалення і ГВП для економії енергоресурсів. Система на сонячних колекторах забезпечує нагрів води влітку і певну частку енергії на опалення будинку взимку. Розрахунок системи здійснюється за допомогою кривих витрат теплової енергії на опалення і ГВП побудованих для конкретного будинку. Типові криві енергетичних витрат показані на рис. 12.

Основою для розрахунку колектора є теплове навантаження в літній період, яке в основному визначається системою ГВП. Як правило обсяг споживання гарячої води N майже постійний протягом року. Тому за цим показником розраховують мінімальну площу колекторів S_min для забезпечення ГВП. Оптимальна площа колекторів S_O в 2-2.5 рази більша за мінімальну. Система з такою площею повністю забезпечує ГВП і частково – систему опалення в зимові періоди. При подальшому збільшенні площі колекторів система використовується менше ніж на 50 % протягом половини року, тому строк її окупності збільшується.

Розрахунок системи опалення і ГВП на основі сонячного колектора

Вхідними даними для розрахунку є:

- температура холодної води Т_Вmin;

- номінальна температура гарячої води Т_Вном;

- максимальна температура гарячої води Т_Вmax;

- обсяг споживання гарячої води протягом одного дня N;

- максимальне і мінімальне значення середньої температури навколишнього середовища за добу Т_max і Т_min;

- середня потужність сонячного випромінювання протягом 1 дня у літній і зимовий період при заданій орієнтації колекторів Р_Кmax і Р_Кmin на 1 м² їх площі;

- теплоємність теплоносія С;

- температура ΔТ₍₁₎, на яку нагрівається теплоносій у колекторі;

- площа будинку S_б;

- теплова потужність Р_б(1), необхідна для опалення 1 м² будинку.

Параметри, які необхідно розрахувати:

- площа сонячних колекторів S_О;

- об’єм баку V_б;

- діаметр труб по яким циркулює теплоносій d;

- потужність насосу Р_Н;

- потужність нагрівача Р_НГ.

Рис. 12. Витрати теплової енергії на опалення і ГВС

А – витрати енергії на опалення в будинках без теплоізоляції;

В - витрати енергії на опалення в будинках з теплоізоляцією;

С – енергія для нагріву води;

D – обсяг енергії від теплового колектора, розрахованого для системи ГВС у літній період;

Е - обсяг енергії від теплового колектора, розрахованого для системи ГВС і опалення

Методика розрахунку

Розрахунок площі сонячних колекторів

1. Енергія Е, яка необхідна для нагрівання гарячої води на 1 добу:

, (9)

де q_б – коефіцієнт, який враховує теплові втрати баку і системи трубопроводів колекторів, q_б = 1.2,

теплоємність води С = 1.16 Вт·год/(л · °С).

2. Середня енергія на 1 м² площі колектора за 1 день:

, (10)

де t_Д – тривалість дня.

За формулою (10) розраховується енергія для літнього Е_К(1)max і зимового Е_К(1)min сезонів з використанням параметрів Р_Кmax і Р_Кmin.

3. Площа колекторів S:

, (11)

де η_К – ККД колектора у літній сезон, розрахований за формулою (8),

m = 2-2.5.

Розрахунок об’єму баку V_б

Об’єм баку розраховується з граничної умови, що протягом дня гаряча вода не споживається. Для цього випадку необхідно, щоб температура води не перевищувала максимальну Т_Вmax.

. (12)

Розрахунок діаметру труб системи

Проходячи через систему колекторів, теплоносій нагрівається на декілька градусів. На практиці ця величина складає 5°-10°. Більший нагрів теплоносія недоцільний, оскільки на цю ж величину зростає різниця температур між навколишнім середовищем і колектором, що зменшує ККД системи. Обсяг теплоносія, що нагрівається в колекторі на вказану температуру, пропорційний площі колектора. Для зменшення втрат тиску в трубопроводах необхідно, щоб швидкість теплоносія υ не перевищувала 1 м/с. При розрахунках швидкість теплоносія повинна знаходитись в межах υ = 0.4-0.7 м/с. Тому для заданої площі колектора необхідно обрати діаметр труб d, що забезпечує задану швидкість циркуляції теплоносія. Розрахунок проводиться для літнього сезону. Взимку, для економії електроенергії, швидкість циркуляції можна зменшити.

1. Розрахунок об’єму теплоносія V₍₁₎, який в колекторі нагрівається до температури Т_Вном за t = 1 год.

. (13)

2. Розрахунок внутрішнього діаметру трубопроводу:

. (14)

Розрахунок потужності насосу

, (15)

де с – втрати опору в трубопроводі, с = 1.3;

η_Н – ККД насосу, η_Н = 0.8,

g = 9.8;

m₍₁₎ – маса теплоносія, який прокачується через колектор за 1 с;

h – різниця висот між нижньою і вищою точками трубопроводу (при розрахунках брати h = 3 м)

Розрахунок потужності нагрівача

1. Розрахунок ККД системи η_К у зимовий період за формулою (8).

2. Розрахунок теплової потужності системи колекторів у зимовий період:

. (16)

3. Розрахунок теплової потужност, необхідної для систем ГВП і опалення:

. (17)

4. Потужність нагрівача:

. (18)

Дата добавления: 2014-01-04