Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Энергосбережение в строительстве

Технология использования солнечной энергии


Технология использования солнечной энергии

Попытки эффективно использовать солнечную энергию с помощью некоторых систем солнечных коллекторов делались давно. Однако изобилие дешевого топлива в течение длительного времени снимало какие-либо реальные предпосылки к серьезному техническому развитию и активному использованию таких систем отопления. До 1970-х годов, когда возникли кризисы и расширилась осведомленность о проблемах окружающей среды, в Швеции не проявилось интереса к результатам научно-исследовательских и экспериментальных работ по утилизации солнечной энергии. После начала науч-но-исследовательских и экспериментальных работ в секторе отопления от солнечной энергии в зданиях Совет был назначен ответственным за их реализацию.

Климатические условия Швеции не так благоприятны для утилизации солнечной радиации для отопления, как, например, средиземноморских стран. На дальнем севере Швеции 1 м2 грунта получает около 800 кВт ч/год солнечной энергии, на юго-западе — около 1000 кВтч/год (для сравнения в средиземноморских странах около 1400- 1900 кВт ч/год). В среднем в целом по Швеции ежедневное получение солнечной энергии составляет около 1400 ТВт-ч, т.е. значительно больше, чем двойное количество энергии, которое страна использует за год. Затруднения в осуществлении эффективного использования этого огромного количества энергии зависят частично от малой плотности потока (в среднем по Швеции около 100 Вт/(м2год) на уровне грунта) и частично от несовпадения по фазе между поступлением тепла летом и его потреблением зимой.

Солнечные коллекторы. Существуют два типа солнечных коллекторов: концентрирующий и плоскопластинчатый. Концентрирующие коллекторы позволяют увеличить невысокую интенсивность солнечной радиации с помощью зеркального элемента, вырабатывая высокие температуры. Плоскопластинчатые коллекторы поглощают черной поверхностью тепло и преобразуют его в теплоноситель, циркулирующий через коллектор. Максимальная температура, полученная таким путем, составляет около 200 °С, т.е. значительно ниже того, что можно получить в концентрирующих коллекторах. С другой стороны, плоскопластинчатые коллекторы обеспечивают лучшее использование рассеянной радиации; их производство и монтаж значительно дешевле; они могут быть высокоэффективными благодаря хорошей теплоизоляции, предотвращающей теплопотери.

Низкотемпературные солнечные коллекторы работают в диапазоне +10...+30 °С. Они не имеют покрытия стеклом или покрыты лишь одним слоем пластика. Производство коллекторов этого типа не требует больших затрат, их можно легко встроить в поверхность крыши, что дополнительно сокращает стоимость при новом строительстве и при реконструкции крыши в существующих зданиях.

Среднетемпературные солнечные коллекторы работают в температурном диапазоне +30...+60 °С, часто имеют однослойное стеклянное покрытие и селективный поглотитель. Этот тип коллектора используется в Швеции для систем приготовления бытовой горячей воды (рис. 1).

Высокотемпературные солнечные коллекторы работают при температуре выше +60 °С и поэтому должны проектироваться с гарантией низких теплопотерь. Проектирование становится более сложным, так как возникает необходимость разработки различных типов антиконвективных перегородок над селективным поглотителем, чтобы предотвратить тепловые потери. Кроме плоскопластинчатых коллекторов, эта группа включает коллекторы с поглотителями из вакуумных стеклянных труб и коллекторы с частично вмонтированными концентраторами.

Различные типы коллекторов обладают одинаковой эффективностью и одинаковой вырабатываемой мощностью в пределах соответствующих диапазонов температур. Различия заключаются в том, что более высокий температурный уровень коллектора способен обеспечить большую долю общей тепловой нагрузки, поступающей от коллектора без использования дополнительной энергии, например от теплового насоса.



Рис. 1. Высокотемпературные солнечные коллекторы в виде массивов. Проект в Ликебо


Системы отопления от солнечной энергии. Если капитальная стоимость обычной системы отопления на нефти составляет лишь незначительную часть общей годовой стоимости эксплуатации, то в системах на солнечных коллекторах почти вся их текущая стоимость (95% или более) составляет капитальную стоимость. Анализ экспериментальных установок в домах Совета показывает, что большое число типов систем на солнечных коллекторах имеют перспективы стать конкурентоспособными на будущем рынке систем отопления Швеции. Это включает применение солнечных нагревателей в системах бытового горячего водоснабжения (как в индивидуальных домах, так и в многоквартирных зданиях) и систем отопления от солнечной энергии, которые могут частично обеспечивать потребность в отоплении, а совместно с накопителями тепла могут практически полностью обеспечить годовую потребность в отоплении.

Другие системы, представляющие интерес для применения в будущем, включают массивы солнечных коллекторов без сезонного накопителя, предназначенные для снабжения теплом групповых или районных систем отопления, которые способны обеспечить около 10% общей годовой потребности.



Рис. 2. Система горячего водоснабжения и отопления индивидуального дома с использованием солнечной энергии. Смесь воды и гликолем нагревается до 65 °С в среднетемпературном солнечном коллекторе и закачивается насосом в замкнутую сеть через спиральный теплообменник, передавая тепло в бак с бытовой горячей водой. В пасмурные дни вода нагревается тепловым электронагревателем (ТЭН) вне бака
I — схема горячего водоснабжения; 1 — солнечный коллектор 5 м2; 2 — расширительный сосуд; 3 — водоснабжение холодной водой; 4 — бытовая горячая вода;
II — схема солнечного коллектора: 1 — стекло; 2 — тефлоновая пленка; 3 — поглотитель; 4 — алюминиевая пленка; 5 — минеральная вата; 6 — теплоизоляция задней панели; 111 — схема водонагревателя: 1 — выход горячей воды; 2 поступление холодной воды; 3 — от солнечного коллектора; 4 — на солнечный коллектор; 5 — бак (эмалированный внутри) для накопления тепла; 6 — панель управления; 7 — ТЭН; 8 — насос


Нагрев бытовой горячей воды от солнца. Несколько коммерческих систем подогрева бытовой горячей воды от солнца для индивидуальных домов, предназначенных для обеспечения около 40% потребности в тепле, поступили на шведский рынок с середины 1970-х годов (рис. 2). Аналогичные системы были разработаны и для многоквартирных зданий.

Среди различных экспериментальных проектов зданий, дающих большую часть информации по экономике и эффективности, применение таких систем явилось первым опытом. Необходимая площадь поверхности солнечного коллектора для индивидуального дома равна 5 м2, объем бака накопления тепла 0,3 м3, соответственно для многоквартирного здания с 40 квартирами 260 м2 и 8 м3. Пополнение недостающей энергии будет обеспечиваться за счет обычного бойлера на нефти и электроэнергии (рис. 3).

Комбинированные системы отопления и приготовления бытовой горячей воды. Этот тип солнечной системы нагрева обычно превосходит систему приготовления бытовой горячей воды, при этом увеличиваются площадь поверхности солнечного коллектора и объем водяного бака накопителя, что используется для покрытия потребности как в горячей воде, так и в отоплении (по-видимому, около 25-35% общей потребности в отоплении).

Системы отопления от солнечной энергии с сезонным накоплением тепла в грунте. Системы отопления от солнечной энергии при накоплении тепла в сезонном накопителе летом для использования его зимой могут обеспечить большую часть общей потребности в тепле. Хорошие теплоаккумулирующие свойства имеют накопители из глины. Встроенные в крышу низкотемпературные солнечные коллекторы используют во время солнечных месяцев года, чтобы обеспечить отопление и горячее водоснабжение, и накопить тепло в грунтовом накопителе.

Температуру грунта в зоне накопления на глубине 15-30 м поднимают на 10--15 °С в низкотемпературных системах и до 60 °С — в высокотемпературных системах накопления. В течение месяцев, характеризующихся слабой солнечной активностью, тепло возвращают из накопителя с помощью теплового насоса. Тепловой насос повышает температуру возвращаемого тепла до уровня, удовлетворяющего потребность в отоплении. Системы этого типа испытывали в 1980-х годах в экспериментальных установках на западе Швеции.

Экспериментальная установка с накопителем тепла объемом 87 000 м3, солнечными коллекторами площадью 1500 м2 и четырьмя тепловыми насосами с приводом от дизеля, каждый по 40 кВт выходной мощности была запущена в 1980 г. в школе Линдаль г. Кунгсбакка. Система продемонстрировала свою надежность и высокий энергосберегающий потенциал. Общая стоимость энергии определялась в 30 эйри/кВт ч (2,92 коп/кВт-ч). Производительность подобной системы на первой стадии экспериментально определялась группой исследователей Высшего учебного заведения им. Чалмерса.



Рис. 3. Экспериментальный проект сооружения для снабжения бытовой горячей водой с использованием солнечной энергии в Банка, окрестности г. Кунгсбакка. С января 1983 г. обеспечивает теплом три здания с 20 квартирами и детский центр дневного пребывания. Солнечной энергией покрывается около 50% энергетической потребности для приготовления бытовой горячей воды. Общая стоимость системы в 1982 г. составляла 150 000 шв. крон (14 580 руб.). Использованы среднетемпературные солнечные коллекторы площадью 90 м с однослойным стеклянным покрытием и баком для накопления тепла объемом 4 м. Остальная потребность в тепле обеспечивается летом электроэнергией, зимой — от сжигания нефти 1 — бойлер на нефти; 2 — переключатель; 3 — предварительно подогретая холодная вода; 4 — водоснабжение холодной водой; 5 — бак объемом 4 м для накопления тепла; 6 — солнечный коллектор; 7 — горячая вода для квартир; 8 -к солнечному коллектору; 9 — от солнечного коллектора


Другая установка того же типа, но с несколько измененной конструкцией накопителя тепла, была запущена летом 1983 г. в жилом районе Куллавик, в 25 км к югу от Гётеборга (рис. 10.4). Этот проект включает четыре многоквартирных здания, по 10 квартир каждый. Годовая потребность в энергии на отопление и приготовление бытовой горячей воды (включая теплопотери от распределения) около 310 МВт ч. Среднетемпературный коллектор встроен в конструкцию крыши; общая площадь его поверхности 490 м2. Грунтовый наволитель тепла общим объемом 8100 м3 разделили на две зоны для минимизации теплопотерь. Высокотемпературная зона в центре накопителя занимает около 200 м3, ее нагревают до температуры 60 °С, достаточно высокой, чтобы непосредственно использовать накопленную энергию. Окружающую коллектор глину нагревают летом примерно до 25 °С. Зимой тепло извлекают с помощью теплового насоса мощностью 62 кВт.



Рис. 4. Система отопления с использованием солнечной энергии с сезонным накопителем тепла в Куллавик
I — общий вид: 1 — накопитель тепла в глине, низкотемпературная зона; 2 -то же, высокотемпературная зона; 3 — солнечные коллекторы; II — схема солнечного коллектора: 1 — органическое стекло; 2 — поглотитель; 3 — алюминиевая пленка; 4 — минеральная вата; 5 — трапецеидальный настил; 6 — деревянная рама


Система спроектирована так, чтобы функционировать при низких температурных уровнях (+50...+40 °С). Солнечные коллекторы и тепловые насосы обеспечивают около 85% общей годовой энергетической потребности, остальную часть обеспечивают бойлеры на нефти.

Группа модулей солнечных коллекторов с сезонным накоплением тепла в заполненных водой скальных выемках.

Другой тип крупномасштабных систем отопления от солнечной энергии с сезонным накоплением тепла летом предусматривает использование заполненных водой скальных выемок. Система такого типа предназначена для того, чтобы обеспечить потребность в отоплении целого жилого района, и пригодна для использования в обычных стандартных домах при расположении их без особых требований к ориентации. Большой водяной накопитель тепла в скальных выемках может применяться для высокотемпературного накопителя, следовательно, нет необходимости в тепловых насосах. В системе этого типа используются высокотемпературные солнечные коллекторы плоского типа в виде модулей, готовых для монтажа групп коллекторов на поверхности земли.



Рис. 5. Групповая система отопления с использованием солнечной энергии в Ликебо с сезонным накопителем тепла в заполненных водой полостях в скале


К концу лета в большей части накопителя температуру теплоносителя поднимают до 90 °С и накопленное тепло подают в дома через систему циркуляционных насосов и теплообменников.

Солнечные коллекторы обеспечивают около 95% общей годовой потребности в тепле, остальную часть обеспечивают бойлеры на нефти.

После обширных исследований и экспериментальных оценок системы этого типа в небольших опытных установках был создан полномасштабный экспериментальный проект в г. Упсала.

Групповая система отопления от солнечной энергии с сезонным накоплением тепла в заполненных водой скальных выемках эксплуатируется с весны 1983 г. в Ликебо, в 13 км к северу от г. Упсала, где к этому времени было построено 350 индивидуальных домов из 550 запланированных. Дома отапливаются от центральной групповой станции, солнечная энергия будет обеспечивать возрастающую часть общей потребности в энергии на отопление.

На первой стадии установили массив высокотемпературных плоских солнечных коллекторов общей площадью 4320 м2 на территории, близкой к жилому массиву. Коллекторы обеспечивают около 1,3 ГВт ч/год тепла, что эквивалентно 15% общей потребности. Недостающее тепло поставляют от бойлера на электроэнергии мощностью 60 МВт. После установки коллекторов солнечная энергия должна обеспечивать годовую потребность на отопление.

Собственно накопитель тепла состоит из кольцеобразной полости в скале объемом около 100 тыс.м3, диаметром 75 мм. Кровля полости высотой 30 м находится ниже уровня земли на 30 м.

Применены две раздельные системы для снабжения и подвода энергии. В конце лета, когда накопитель тепла полностью "заряжен", температура воды, вверху выемки (накопителя) около 90 °С, внизу — около 40 °С. Управление и распределительное оборудование размещено в небольшой полости над накопителем тепла.



Рис. 6. Разрез солнечного коллектора установки в Ликебо
1 — стекло; 2 — тефлоновая пленка; 3 — поглотитель; 4 — алюминиевая пленка; 5 — минеральная вата; 6 — настил; 7 — торцевая заделка; 8 — резиновые полоски; 9 — бетонное основание


Группы модулей солнечных коллекторов, подсоединенных к групповой и районной системе отопления. При подсоединении солнечных коллекторов к групповой или районной системе отопления может быть сэкономлено около 10% общей годовой потребности системы в топливе. Большие группы монтируемых на земле модулей высокотемпературных солнечных коллекторов подсоединяют к обратной магистрали распределительной системы, т.е. к низкотемпературной части системы. Тепло, поступающее от коллекторов, добавляется к теплу от отопительного обычного оборудования по производству тепла. Системы этого типа были использованы в Швеции в экспериментальных проектах в городах Книвста, Се-дертёрн и Торвалла.



Похожие статьи:
Опыт жилищных организаций

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Энергосбережение в строительстве

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум