Солнечная тепловая энергия. Активное солнечное нагревание
Раньше было:
Сила, энергия и мощность.
Возобновляемая энергия. Введение
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Солнечная тепловая энергия
1. Введение
2. Солнечный водонагреватель на крыше
3. Природа и пригодность солнечного излучения
4. Солнечная радиация и времена года
5. Удивительные свойства стекла
6. Использование низкотемпературного оборудования на солнечной энергии
6.1. Местный нагрев воды
6.2. Обогрев пространства жилого дома солнечным светом
6.3. Нагрев плавательного бассейна
6.4. Зимний сад (или «солнечная теплица»)
6.5. Стена Тромбе
6.6. Прямой нагрев
7. Активное солнечное нагревание
История
Солнечный водный нагреватель мог бы быть сделан просто путем размещения водного резервуара в нормальном окне. Действительно, многие из первых систем, произведенных в США 1890-ые годы в большинстве были именно такими.
Накопительный солнечный водный нагреватель, как известно, был запатентован в 1990 году Вильямом Джей Бейли (William J. Bailey) в Калифорнии. Так в системе присутствует изолированную емкость, которая может длительное время удерживать воду горячей. Бейли назвал свою компанию «Компания солнечных водонагревателей «День и Ночь» ('Day and Night' Solar Water Heater Company). Он успел продать около 400 систем перед тем, как было открыто месторождение дешевого природного газа в 1920-х, что фактически стало причиной закрытия его бизнеса.
Во Флориде солнечные водонагреватели начали использовать с 1940-ых. Восемьдесят процентов новых домов, построенных на Майами между 1935 и 1941 годами, были снабжены солнечными системами. Около 60 000 были проданы за этот период в других областях. С 1950-х годов в Америке солнечные нагреватели имели конкурентов в виде нагревателей от твердого ископаемого топлива (Butti и Perlin, 1980).
Это продолжалось, пока в 1970-х не произошло повышения цен на нефть, что определило возможность восстановления конкуренции солнечных накопителей. К 2001 г. было как минимум 57 миллионов м2 солнечных накопителей, установленных по всему миру, 11 млн. м2 из них в США, но только 208 тыс. м2 в Великобритании (IEA, 2003, ESTIF, 2003).
Нами рассмотрены основные формы солнечной водных теплосборников, но какие из них рентабельно использовать как альтернативные источники?
Солнцесборники
Точно так же, как солнечные энергетические системы могут иметь много вариантов, так и формы солнечных накопителей, приведенных на рис. ниже очень разнообразны.
Низко-, средне- и высокотемпературные солнцесборники.
Переводы надписей:
Низкотемпературные солнцесборники (слева).
Неостекленная система, нагревающая на 0-10°С.
Черная поглощающая пластина.
Каналы для тока воды.
Плоская пластина (с водой), нагревающая на 0-50°С.
Прозрачное покрытие.
Оправа, обшивка, кожух (или-или).
Черная поглощающая пластина.
Ток воды.
Изоляция.
Плоская пластина (с воздухом), нагревающая на 0-50°С.
Воздушный канал.
Ток воздуха.
--------------------
Средне- и высокотемпературные солнцесборники (справа).
Фокусирующая линия, нагревающая на 50-150°С.
Фокус.
Ток воды.
Эвакуирующая труба
Evacuated tube
Нагревательный трубчатый конденсатор
Heat pipe condenser
Водный поток
Water flow
Нагревательный трубчатый испаритель
Heat pipe evaporator
Эвакуирующая стеклянная труба
Evacuated glass tube
Частично покрытая абсорбирующая пластина
Selectively coated absorber plate
Точечная фокусирующая система
Зеркало
Фокус
Входящий ток воды
Исходящий ток воды
--------------------
Панели без стекла. Они наиболее приемлемы для нагревания бассейнов, где необходимо только на несколько градусов повысить температуру, по сравнению с температурой окружающей среды, при этом потери тепла относительно невелики.
Плоские пластины водных коллекторов. Это основной способ в мире нагревания воды от солнца. Обычно они застеклены только один раз, однако могут иметь дополнительную дважды застекленную площадь (иногда эта дополнительная площадь покрыта не стеклом, а пластиком). Более сложные застекленные системы позволяют достичь большей разницы температур между поглощающей поверхностью и внешним воздухом.
Пластина поглотителя обычно имеет очень черную поверхность, которая поглощает практически все солнечное излучение, т.е. она имеют высокую поглощающую способность. Обычные черные краски все-таки отражают приблизительно 10% солнечного света (для сравнения: белая поверхность отражает 70-80 %). Для некоторых панелей используют избирательную поверхность, которая хорошо поглощает видимый свет и отражает мало света в инфракрасном длинноволновом диапазоне, чтобы снижает потери тепла.
Поглощающие пластины разнообразных конструкций, успешно применяемые в последние годы, состоят из сжатых стальных центрально нагревающихся радиаторов, специально сделанных из сжатых алюминиевых и медных труб малого диаметра, припаянных к толстой пластине или к стальному листу. В общем, пластина поглотителя должна иметь высокую теплопроводность, чтобы передать собранную энергию к воде с минимальными потерями температуры.
Плоские пластины воздушных коллекторов. Они не такие, как водные коллекторы и наиболее часто используются для нагревания воздуха. Интересный вариантом является использование комбинированного коллектора: этого вида теплосборника с фотоэлектрической группой, которая вырабатывает как тепло, так и электричество.
Эвакуирующие трубы коллектора. В этом случае коллектор состоит из набора модульных труб, подобных флуоресцентным лампам. Пластина поглотителя - металлическая полоса, размещенная в центре каждой трубы. Конвективные потери тепла снижены, благодаря созданию вакуума в трубе. Пластина поглотителя использует специальный 'тепловой элемент, чтобы передать собранную энергию к воде, которая циркулирует вдоль трубы магистрали к вершине массива.
Тепловая труба - устройство, которое использует для переноса бóльшего количества тепла свойства кипящей жидкости. Полая труба наполнена жидкостью под давлением, выбранном таким образом, чтобы жидкость закипала на одном, горячем, конце трубы, а пар конденсировался на холодном конце. Труба имеет намного более эффективную теплопроводность, чем если бы она была сделана из твердого металла, и способна к передаче большего количеств тепла, достаточного для небольшого повышения температуры.
Коллекторы с фокусной линией. Они концентрируют солнце в трубе в направлении к центру. Они в основном используются для производства пара для получения электричества. Собирающая поверхность может вращаться вверх или вниз, на восток или запад, чтобы отслеживать положение солнца. Коллектор с фокусной линией может быть ориентирован своей осью в горизонтальном или вертикальном направлении.
Коллекторы с фокусной центром. Эти устройства также используются для генерации пара или для двигателей Стерлинга, но они нуждаются в отслеживании положения Солнца в двух измерениях.
Погрешность, высота и ориентация
Солнечные коллекторы обычно поднимают и размещают на крышах, их обычно трудно установить, и так же трудно выполнять обслуживание и ремонты. Они должны быть твердо и непроницаемо прижаты к крыше, а затем должны выдержать все, что может повлиять на них в природе - мороз, ветер, кислотный дождь, морские брызги и град. Им также нужно быть нечувствительными к внутренней коррозии и очень больших колебаний температуры. Двойной застекленный коллектор - потенциальный источник производства кипятка в разгар лета, если тепло не используется для каких либо других целей. Это весьма серьезное практическое конструктивно решение, которое может работать до 20 и более лет без замены. Однако, данные 1995 года показывают, что 85% из 49 000 систем, которые планировали установить в Великобритании к этому времени, находились еще в стадии проекта (Sаdler, 1996).
К счастью, согласно исследованиям, пластины не следует устанавливать в наклонное положение или ориентировать в определенном направлении. Это в свою очередь означает, что большинство строящихся в настоящее время опор, приблизительно 50% или даже больше, могут быть использованы для установки солнечных коллекторов.
Активное солнечное нагревание
Итак, мы подробно рассмотрели местные водяные нагреватели только с несколькими квадратными метрами солнечных батарей. Если дальше рассматривать больший коллектор с намного бóльшим резервуаром, способным генерировать больше энергии от солнечных батарей, то он будет способен обеспечить круглый год потребности зданий в теплоносителях с не очень высокой температурой. В 1970-х, с этой целью во всем мире был построен целый ряд экспериментальных систем. Например, (см. первое фото, из приведенных ниже) в 1975 в Милтон Кейнес (Milton Keynes) была построена и действовала до 1994 такая установка, фактически являясь испытательной для типичного климата центральной Англия. 36 м2 солнечных батарей со стеклянным покрытием были установлены на крыше отдельно стоящего дома. В качестве генератора энергии использовались два изолированных водных резервуара общей вместимостью 4,5 м3.
Контроль показал, что система вырабатывала только половину необходимой низкотемпературной потребности в нагревании и в основном ее бóльшая часть использовалась для нагревания воды. Только небольшая часть энергии для нагрева воздуха была получена от активной солнечной энергии, и это только в солнечный сезон. Фактически почти вся энергия была получена от падающих через окна солнечных лучей. Хотя система работала в значительной степени согласно проекта, у нее были значительные недостатки:
1. Для того, чтобы собрать достаточно солнечной энергии, особенно в зимнее время, коллектор должен быть очень большим. Но, в свою очередь, это бы означало, что в течение лета его потенциал не мог бы использоваться полностью, потому что не было бы спроса и капитальные затраты фактически не окупятся.
2. Если дом будет лучше изолирован, он не будет требовать слишком много внешней энергии для нагрева, и это не дает возможности лучше использовать пассивное солнечное излучение.
Здесь мы имеем ключевую проблему: использовать ли возобновляемую энергию, чтобы нагреть отдельный изолированный дом, или использовать энергию для накопления, чтобы использовать там, где это будет более необходимо. Последующий анализ и эксперимент показали, что такое же сохранение стоимости ископаемого топлива могло быть получено в хорошо теплоизолированном пассивно обогреваемом доме.
Экспериментальный активного обогреваемый солнцем дом в Milton Keynes, построенном в 1979 году.
Подобные расчеты были произведены для обогреваемых солнцем домов в Германии и Франции. Сохранение энергии и возобновляемое энергоснабжение должны рассматриваться в равной мере.
Межсезонное хранение и солнечное нагревание района
Можно было бы думать, что, если сделать накопительный резервуар для солнечного обогрева дома достаточно большим, то энергия летнего солнца могло бы быть сохранена и зимой. Это известно как межсезонное хранение. Однако нельзя недооценивать трудности этого хранения. Сохраненный объем горячей запасенной воды для снабжения дома должен иметь такой же размер, как непосредственно и сам объем дома. Кроме того, такому резервуару хранения была бы нужна изоляция толщиной до 0,5 м, чтобы сохранить большинство его тепла от лета до зимы. Для того, чтобы сократить соотношение фасада (т.е. тепловых потерь) к объему дома, необходимо сделать резервуар хранения очень большим. Это значит, что такие схемы, вероятно, наиболее полезны для больших зданий или районных нагревательных схем. Даже при этом, время окупаемости будет очень длинным.
Но можно получить значительный экономический эффект при выполнении больших проектов, где солнечные батареи могут быть приобретены и установлены оптом. Начиная с 1980-х годов, началось поточное строительство больших массивов солнечных батарей для районных теплосетей в континентальной Европе, большей частью в Дании, Швеции и Германии. Позже, к 2002 году, были подведены итоги строительства 65 схем, имеющих более чем 500 м2 области сборщика. Эти системы имели полную площадь 110 000 м2 и полную пиковую тепловую мощность до 50 МВт (Dаlenbаck, 2002). Большинство этих схем обслуживают жилые здания.
Хотя массивы могут быть очень большими (например, площадью 8000 м2, как на фото ниже) они обычно обеспечивают только небольшой процент потребности в тепле. Фактически они являются отдельными местными солнечными водными теплосетями.
Солнечные батареи площадью 8000 м2, обеспечивающих районную теплосеть Mаrstаl в Дании (фото любезно предоставлено Arcon).
.