Гелиоколлекторы в системах отопления и горячего водоснабжения

Белорусский государственный аграрный технический университет

Кафедра: Энергосбережение

Реферат

Тема: Гелиоколлекторы в системах отопления и горячего водоснабжения

Выполнил: Никитин А.В.

Проверил: Цубанов А.Г.

Минск 2008

Солнечная энергия. Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, - практически неисчерпаемый источник. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов - водорода и гелия.

Известно два направления использования солнечной энергии.

Наиболее реальным, находящим относительно широкое распространение в таких странах, как Австралия, Израиль, США, Япония, является преобразование солнечной энергии в тепловую и использование в нагревательных системах. Второе направление - системы непрямого и прямого преобразования в электрическую энергию.

Солнечные нагревательные системы могут выполнять ряд функций:

ѕ подогрев воздуха, воды для отопления и горячего водоснабжения зданий;

ѕ сушку пшеницы, риса, кофе, других сельскохозяйственных культур, лесоматериалов для предупреждения их поражения насекомыми и плесневыми грибками;

ѕ поставку теплоты для работы абсорбционных холодильников;

ѕ опреснение воды в солнечных дистилляторах;

ѕ приготовление пищи;

ѕ

привод насосов.

Рис. 8.3. Приемники солнечного излучения: а -- открытый резервуар на поверхности Земли; тепло уходит в Землю; б -- черный резервуар в контейнере со стеклянной крышкой с изолированным дном

В заполненная водой металлическая плоская емкость; стандартный промышленный приемник: нагреваемая жидкость протекает через него и накапливается в специальном резервуаре.

На рис. 8.3 представлены принципиальные схемы трех из большого числа конструкций нагревателя воды, отличающихся по эффективности и стоимости. На рис. 8.4 [4] приведена одна из возможных конструкций воздушных нагревателей. Для отопления зданий зимой могут применяться так называемые пассивные и активные солнечные системы. На рис. 8.5а [4] показан пассивный солнечный нагреватель: солнечные лучи попадают на заднюю стенку и пол здания, представляющие собой массивные конструкции с усиленной теплоизоляцией, окрашенные в черный цвет. Недостаток такой системы прямого нагрева медленный подъем температуры в зимние дни и чрезмерная жара летом - устраняется с помощью накопительной стенки с солнечной стороны (рис. 8.56) [4]. Стенка работает как встроенный воздушный нагреватель с тепловой циркуляцией. Летом такую стену может затенять козырек крыши.

Активные солнечные отопительные системы используют внешние нагреватели воздуха или воды. Их можно устанавливать уже на существующие здания. В странах с жарким климатом широко используются серийно выпускаемые солнечные системы для горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования жилых домов, школ, больниц. Для жилого дома эти системы включают в себя солнечный коллектор, концентрирующий солнечную энергию и аккумулирующий ее в форме тепловой энергии воды, циркулирующей по трубкам коллектора, и бойлер, устанавливаемый на крыше; движение воды в системе может осуществляться благодаря термосифонному эффекту или действию насоса.

Для теплоснабжения больниц и других общественных зданий эффективным оказывается применение комбинированных систем, состоящих из традиционного водяного или парового котла, работающего на органическом топливе, и солнечной нагревательной установки, предусматривающей систему плоских и (или) параболических

Рис. 8.4 Воздушный нагреватель: 1 - стеклянное покрытие; 2 - шероховатая черная поглощающая поверхность

Рис. 8.5 Пассивные солнечные нагреватели: а - прямой нагрев задней стенки здания; использованы массивные, окрашенные в черный цвет поверхности с усиленной теплоизоляцией для поглощения и накопления солнечной теплоты; б - здание с накопительной стенкой коллекторов.

Это обеспечивает независимость от погоды и повышает надежность и экономичность теплоснабжения. Используется солнечная энергия для работы тепловых насосов и холодильных установок.

В системах непрямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую - на гелиотермических (солнечных тепловых) электростанциях солнечная энергия, аналогично энергии органического топлива на ТЭС, превращается в тепловую энергию рабочего тела, например, пара, а затем в электрическую. Можно создать гелиотермические электростанции мощностью до нескольких десятков-сотен мегаватт.

Рис. 8.6 Принципиальная схема солнечной тепловой электростанции с интегрированным солнечно-комбинированным циклом

В настоящее время существует определенный опыт строительства и эксплуатации солнечных тепловых электростанций, например, в Южной Калифорнии, в Крыму. Так, солнечная электростанция с паросиловым циклом мощностью 90 МВт с солнечным полем площадью 450,000 м2 имеет общий КПД по тепловой и электрической энергии -38%. Лучшими технико-экономическими характеристиками обладает тепловая электростанция с интегрированным солнечно-комбинированным циклом, принципиальная схема которой дана на рис.8.6. Она включает газотурбинную установку, работающую на традиционном органическом топливе, и паротурбинную установку, приводимую в действие потоками пара высокого и низкого давления. Энергия этих потоков пара получена преобразованием энергии Солнца соответственно в контурах высокого и низкого давления. Основными элементами контуров являются устройства солнечного поля (коллектор из параболических зеркал и системы паропроводов, системы слежения и

управления) и парогенераторы.

Эффективность станции повышается за счет утилизации в экономайзере тепла потоков отработанных газа и пара высокого давления. Подобная гелиотермическая электростанция с интегрированным циклом мощностью 90 МВт при площади солнечного поля 200,000 м2 позволяет увеличить общий КПД до 50%. Кроме того, при интегрированном цикле достигается определенная независимость от изменений характеристик солнечной радиации из-за погоды и времени суток и года. Альтернативный вариант - солнечные электростанции башенного типа. На них системы плоских зеркал, расположенные на большой площади, отражают солнечные лучи на центральный теплоприемник на вершине башни (рис. 8.7) [13]. К сожалению, КПД преобразования солнечной энергии в электрическую на башенных электростанциях составляет не более 10%, а стоимость получаемой электроэнергии сопоставима с ее стоимостью на ТЭС и даже АЭС. Ввиду непостоянства солнечного излучения в течение суток и времени года для обеспечения круглосуточного энергоснабжения от солнечной электростанции требуется аккумулирование энергии. В этой связи рациональна совместная работа гелиотермической и гидроаккумулирующей электростанций

Заманчиво и многообещающе прямое превращение солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элементов (фотоэлементов), в которых используется явление фотоэффекта. В настоящее время наиболее совершенны кремневые фотоэлементы. Их КПД, однако, как уже указывалось, составляет не более 15%, и они очень дороги.

Практические области применения фотоэлектрического преобразования солнечной энергии сегодня:

ѕ уличное освещение, зарядные устройства, потребительские то вары (фотоаппараты, калькуляторы, часы и т.д.);

ѕ электромобили;

ѕ автономные потребители (0,01-10 кВт): насосы, ирригация, холодильники, вентиляторы, аэрация водоемов, мобильные сельскохозяйственные установки, энергообеспечение домов (рис. 8.8), системы телекоммуникации и сигнализации;

ѕ так называемые солнечные дома, имеющие солнечные модули (1-20 кВт) на крышах, объединенные с энергосистемой;

ѕ центральные солнечные станции (50-5000 кВт), снабжающие энергией поселки и небольшие города.

Что касается крупных электростанций, то предложено два варианта реализации принципа фотоэлектрического преобразования. Первый заключается в создании солнечных станций на искусственных спутниках Земли, оборудованных солнечными панелями из фотоэлементов площадью от 20 до 100 км2 в зависимости от мощности станции. Вырабатываемая на спутниках электроэнергия будет преобразовываться в электромагнитные волны в микроволновом диапазоне частот, направляться на Землю, где приниматься приемной антенной (рис. 8.9) [14]. Второй вариант предполагает монтаж сборных панелей солнечных фотоэлектрических элементов в малонаселенных и малоиспользуемых пустынных районах Земли.

Рис.8.8 Фотоэлектрическая солнечная установка для энергообеспечения дома в сельской местности

Рис. 8.9. Схема солнечной электростанции на искусственном спутнике

Для реализации этих проектов предстоит провести большой объем научных исследований и решить серьезные научно-технические проблемы.

Для территории Беларуси свойственны относительно малая интенсивность солнечной радиации и существенное изменение ее в течение суток и года. В этой связи необходимо отчуждение значительных участков земли для сбора солнечного излучения, весьма большие материальные и трудовые затраты. По оценкам, для обеспечения потребностей Беларуси в электроэнергии при современном техническом уровне требуемая площадь фотоэлектрического преобразования составляет 200-600 км2, т.е. 0,1-0,3% площади республики. Появились предложения об использовании территории Чернобыльской зоны для строительства площадок солнечных и ветровых электростанций.

Для нашей республики реально использование солнечной энергии для сушки кормов, семян, фруктов, овощей, подъема и подогрева воды на технологические и бытовые нужды. В результате возможная экономия ТЭР оценивается всего в 5 тыс. т.у.т./год. В республике начат выпуск гелиоводонагревателей и уже накоплен некоторый опыт их эксплуатации.