Системы гелионагрева широко используют для горячего водоснабжения и обогрева на фермах, теплоснабжения низкотемпературных производственных и бытовых процессов, сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды.
Превращение солнечной энергии в тепловую издавна использовали для сушки сельскохозяйственных и пищевых продуктов, опреснения воды. И сейчас устройства, работа которых основана на непосредственном преобразовании солнечной энергии в тепловую, получили более широкое распространение, чем устройства, преобразующие ее в другие виды, например, в электроэнергию. Применительно к сельскому хозяйству это обусловлено следующими предпосылками.
Потребность в низкопотенциальной тепловой энергии составляет около 30—45 % от общего энергопотребления в сельском хозяйстве.
Для выполнения многих производственных и бытовых операций и процессов на объектах животноводства, как правило, необходимы низкотемпературные (до плюс 65° С) теплоносители в виде жидкости (обычно воды) или воздуха.
Низкотемпературные гелионагреватели имеют достаточно высокий коэффициент преобразования энергии (0,3—0, 75), просты по конструкции, могут функционировать без концентраторов и систем непрерывной ориентации.
Использование солнечной теплоты для нагрева ведет к экономии дефицитного органического топлива и электроэнергии, может полностью исключить затраты на их доставку (что важно для отдаленных потребителей), а также предотвращает загрязнение окружающей среды и сельскохозяйственной продукции.
Использование солнечных систем позволит замещать от 20 до 60 % тепловой нагрузки в зависимости от климатического расположения и вида применяемой системы гелиотеплоснабжения.
Применяют два основных типа гелиосистем — пассивные и активные, или их комбинацию.
Пассивная система гелионагрева состоит из элементов строительных конструкций, деталей и узлов, при помощи которых обеспечивается естественная передача теплоты (для отопления, нагрева воды, либо кондиционирования воздуха), полученной в результате преобразования солнечной энергии. При этом здания ориентируют на местности, учитывают теплоизоляционные свойства почвы при заглублении их в грунт, применяют поглощающие поверхности строительных конструкций, солнцезащитные и теплоизолирующие экраны, скользящие и сворачиваемые шторы.
В пассивных системах нагрев осуществляется в основном за счет «парникового эффекта» и усиленной теплоизоляции со стороны холодных ветров. Обычное оконное стекло, имеющее высокую пропускаемость в спектре солнечной радиации для длин волн от 400 до 3000 нм, практически не пропускает инфракрасные лучи с длиной волны более 10 м (испускаемые предметами, нагретыми до комнатной температуры), что обеспечивает «парниковый эффект» нагрева помещения.
В пассивную систему внутри помещения входят хорошо поглощающие солнечный свет темные поверхности, обладающие высокой теплоемкостью для аккумулирования поглощенной теплоты, гелиоприемник (оконный проем, терраса, гелиоколлектор).
Простейшая система пассивного солнечного нагрева включает в себя зачерненную стену, обращенную на юг.
Активная система гелионагрева включает специальное оборудование для сбора, хранения и распределения энергии солнечной радиации. Повышает эффективность использования солнечной энергии, обеспечивает большие возможности регулирования тепловой нагрузки.
Она включает солнечный коллектор (гелиоколлектор), аккумулятор, теплообменники, дублирующие источники теплоты, сантехническую арматуру, распределительные и регулирующие устройства, средства автоматики.
Выбор, состав и компоновка элементов активных систем гелионагрева в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, типом животноводческого объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями, требованиями технологического процесса и т. п.
Основной частью активной системы является гелиоколлектор —устройство для собирания лучистого потока.
Солнечный коллектор плоский включает лучевоспринимающую пластину, теплоизолирующий материал с тыльной и всех боковых сторон, пластины и лицевое светопроницаемое прозрачное покрытие, которые заключены в общем каркасе. В лучевоспринимающую пластину могут быть встроены трубы или каналы для пропускания жидкого или газообразного теплоносителя.
При воздействии солнечного излучения пластина нагревается до тех пор, пока не достигнет равновесной температуры, величина которой зависит как от интенсивности излучения, поглощающей способности пластины, качества теплоизоляции (с их ростом температура увеличивается), так и от излучательной способности пластины (чем она выше, тем пластина нагревается меньше).
Эффективность работы коллектора можно увеличить с использованием селективных поглотителей и прозрачных покрытий. Применение селективного поглотителя позволяет повысить равновесную температуру (в абсолютных значениях К) более чем в 1,2 раза. Однако большинство таких селективных поглотителей очень чувствительны к пылевому загрязнению и в естественных условиях их характеристики быстро ухудшаются. Применение прозрачного покрытия (из стекла или чистых пластмасс) усиливает так называемый «парниковый эффект»: стекло, покрывающее теплицу, хорошо пропускает солнечное излучение, но поглощает длинноволновое излучение, испускаемое внутренними элементами теплицы (грунтом, конструкциями и т. п.). Даже наличие одного слоя прозрачного покрытия дает значительный эффект. С увеличением числа слоев «парниковый эффект» возрастает, однако при этом частично ослабляется передача солнечной энергии к поглотителю и затрудняется прохождение наклонно падающих лучей. Поэтому обычно используют однослойное прозрачное покрытие.
Рис. 5. Классификация солнечных тепловых коллекторов
Общая классификация солнечных коллекторов приведена на рисунке 5. Она учитывает как конструктивные варианты, так и технологическое предназначение и вид нагреваемого рабочего тела.
Техническая характеристика гелиоколлекторов приведена в таблице 4.
Таблица 4. Техническая характеристика тепловых гелиоколлекторов
Продолжение
Коллекторы спроектированы на основе штампосварных и прокатно-сварных элементов из стали, алюминия, пластмасс, минеральных или пенопластовых теплоизоляционных материалов с покрытием из стекла и пленки. Например, металлические гелиоколлекторы для жидкого теплоносителя с лицевой наружной стороны имеют один слой стекла толщиной 3—6 мм, а между штампосварным радиатором и днищем из листового материала проложен слой пенопластовой или минераловатной теплоизоляции. Для повышения эффективности поглощения солнечного излучения применяют лакокрасочные или гальванические, а также селективные покрытия. Удельный расход материала на жидкостный гелиоколлектор в среднем составляет для стали 50—60, алюминия 30—40, пластмассы 20—25 кг/м2. Удельная годовая теплопроизводительность 1,7—2,3 ГДж/м2, годовая экономия топлива 100— 200 кг с каждого квадратного метра гелиоколлектора.
Схема коллектора, предназначенного для двухконтурных систем теплоснабжения, показана на рисунке 6. В случае круглогодичного использования такой коллектор заполняют антифризом (раствором этиленгликоля или жидкостью НОЖ-2). При сезонной эксплуатации в теплый период года применяют химически подготовленную деаэрированную воду.
Рис. 6. Схема солнечного коллектора Б.00.04 1.00.00:
1 — теплоизоляция; 2 — корпус; 3 — присоединительные патрубки; 4 — стекло; 5 — лучепоглощающая панель.
Для повышения коррозионной стойкости разработаны солнечные коллекторы на основе черных полимерных труб диаметром 60—110 мм или черной упроченной пленки для низкотемпературных систем гелионагрева воды. Проводится работа по созданию гелиоколлекторов типа СЭНЕР целиком из полимерных материалов с целью снижения материалоемкости и его стоимости, повышения технологичности изготовления, а также для обеспечения удобства эксплуатации на сезонных объектах сельского хозяйства. Использование в гелиоустановках пластмассовых коллекторов снижает их стоимость на 40 %.
