Автоматическое регулирование работы гелиосистем и управление ими позволяет повысить точность поддержания технологических параметров, понизить энергетические потери при преобразовании лучистой энергии в энергию других видов, снизить эксплуатационные расходы.
Решение задачи поддержания требуемых значений температур на объекте теплопотребления можно представить так [9]:
Система автоматического управления должна удовлетворять требованиям экономичной целесообразности
Успех автоматизации гелиосистем в значительной степени определяется выбором степени и объема автоматизации. Немаловажное значение имеет подключение микропроцессорной техники в систему автоматического регулирования.
Объединение солнечных коллекторов с аккумуляторами теплоты
Солнечные системы теплоснабжения, как правило, предусматривают наличие аккумулятора энергии. Когда речь идет о небольших установках индивидуального или фермерского пользования, целесообразно оборудовать гелиоколлектор и аккумулятор теплоты в виде единого агрегата [61].
Солнечный коллектор может быть совмещен с аккумулятором энергии из твердых аккумулирующих материалов (ТАМ). Схема такой установки показана на рис. 2.27. Теплоносителем служит воздух, который нагревается в коллекторе за счет лучистой энергии Солнца. Из коллектора воздух поступает в аккумулятор, конструктивно составляющий одно целое с коллектором. Для повышения эффективности аккумулирования теплоты над аккумулятором предусмотрено одно- или двухслойное остекление. Таким образом, солнечный коллектор имеет свое продолжение над аккумулятором теплоты. Нагретый воздух забирается вентилятором и направляется в систему воздушного отопления.
Рис. 2.27. Солнечный коллектор, соединенный с аккумулятором из ТАМ:
1 — вентилятор; 2 — одно- или двухслойное остекление; 3 — воздушный слой; 4 — теплопоглощающая пластина; 5 — изоляция; 6 — вентиляция вторичного контура; 7 — подача нагретого воздуха потребителю; 8 — воздушный канал; 9 — аккумулятор; 10 — солнечный коллектор аккумулятора
Солнечный коллектор устанавливают под углом, равным географической широте данной местности. Часть коллектора, которая непосредственно передает солнечное излучение аккумулятору, находится под углом 8... 10 по отношению к горизонтальной поверхности. Площади этих двух элементов солнечного коллектора рекомендуется брать одинаковыми.
Аккумулятор состоит из гравия или другого твердого гранулированного материала. Размер гранул 30...50 мм. Объем аккумулятора м3, следует принимать равным (0,10...0,15)А, где А — общая площадь солнечного коллектора, м2.
Вариант коллектора с водяным аккумулятором показан на рис. 2.28. Теплота солнечного излучения передается через зачерненную металлическую пластину воде, помещенной в аккумуляторе. Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду коллектор и аккумулятор покрыты слоем изоляционного материала.
Рис. 2.28. Коллектор, соединенный с водяным аккумулятором:
1 — вода; 2 — теплообменник; 3 — теплоприемная зачерненная пластина; 4 — воздушный слой; 5 — двухслойное остекление; 6 — насос; 7 — изоляция; 8 — корпус аккумулятора; β — угол наклона коллектора посредственно из емкости
Горячая вода может подаваться потребителю либо неаккумулятора, либо через теплообменник, размещенный в баке аккумулятора. Емкость аккумулятора можно принять равной 0,13...0,18 м3 на 1 м2 площади.
Представляет интерес разработанный В.В. Мойсеенко и С.В. Смирновым [62] бытовой солнечный коллектор, совмещенный с водяным аккумулятором. Аккумулятор состоит из двух емкостей, одна из которых заполнена холодной водой, другая — подогреваемой до 50... 70 °C за счет солнечной энергии. Тем самым обеспечивается естественная циркуляция воды в аккумуляторе. Для коллектора размером 1600x750 мм в каждой емкости помещается по 100 л воды.
Более эффективным является вариант совмещения солнечного коллектора с аккумулятором, основанном на использовании веществ с фазовым переходом.
В работе [63] приведена конструкция теплоэлектроаккумулятора, в котором в качестве аккумулирующего материала используют нитраты щелочных металлов. В качестве источника энергии может использоваться солнечное излучение или электронагреватель. Этот аккумулятор (рис. 2.29) состоит из трех секций. Теплоаккумулирующим материалом первой секции служит эвтектическая смесь К, Na, Li/NOa (40 %) и карбамида (60 %). Температура фазового перехода составляет 63 °C, удельная энергия — 119 кВт-ч/м3. Вторая секция состоит из смеси К, Na, Li/NO3 (30 %) и ацетамида (70 %). Температура фазового перехода составляет 48 °C, удельная энергия — 103,2 кВт-ч/ м3. Третья секция состоит из теплоаккумулирующего материала К, Na, Li/NO„ (40 %) и ацетамида (40 %).
Рис. 2.29. Многосекционный аккумулятор с эвтектическими схемами замещения с солнечным электронагревателем:
1 — остекление; 2 — солнечный коллектор;
3 — металлокерамическая пленка; 4 — теплопоглощающая пластина; 5 — теплоаккумулирующий материал (t = 50...60 С); 6 — теплоаккумулирующий материал (t = 40...50 С); 7 — теплоаккумулирующий материал (t = 30...40 С)
Температура фазового перехода равна 33 °C, удельная энергия — 48,32 кВт-ч/м3.
Первая секция покрыта слоем стекла и обращена к Солнцу. Теплота солнечного излучения аккумулируется материалами секций и в процессе фазового перехода передается помещению. Для того чтобы обеспечить постоянный обогрев помещения, предусматривается установка масляного электронагревателя, примыкающего к последней, третьей секции. При помощи масляного нагревателя можно компенсировать недостаток поступления тепловой энергии от солнечного излучения.
Таким аккумулятором теплоты может быть заменена часть внешнего ограждения здания, обращенная к югу или юго-западу [64]. Аналогично часть цоколя теплицы может быть оборудована под аккумулятор теплоты.
Для повышения эффективности аккумулятора рекомендуется перед первой аккумулирующей секцией устанавливать солнечный коллектор. При этом повысится эффективность использования солнечного излучения. Теплопоглощающую пластину рекомендуется покрыть зачерненной металлокерамической пленкой, например Ni-P. В этом случае в дождливый или облачный день через теплокерамическую пленку пропускается электрический ток, чем обеспечиваются нагрев аккумулирующих сред и передача теплоты в помещение. Подобный солнечный электронагреватель, совмещающий в себе несколько функций, не нуждается в дополнительном нагревательном оборудовании и дополнительной площади [56].
Следует подчеркнуть, что приведенные варианты аккумуляторов, использующих солнечную энергию, могут служить как для теплоснабжения индивидуальных и фермерских хозяйств, так и для более крупных потребителей энергии.
