ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
Использование тепловых насосов
В системах солнечного теплоснабжения для изменения потенциалов теплового потока применяют термотрансформаторы, что позволяет наиболее рационально удовлетворить возникающие во все возрастающих размерах потребности в теплоте и холоде за счет имеющихся различных источников теплоты и электроэнергии. В сочетании с системами солнечного тепло- и хладоснабжения термотрансформаторы заметно повышают эффективность этих систем.
Для определения действительного коэффициента преобразования термотрансформатора пользуются выражением [51]
(2.24)
где Т и Т„ — начальная и конечная температуры теплоносителя, К; μ — эмпирический коэффициент, суммарно учитывающий потери цикла от внешней необратимости при теплопередаче, потери в компрессоре и т.п. Для ориентировочных расчетов значения μ рекомендуется принимать в зависимости от производительности установки: до 1 МВт — 0,45...0,55; до 3 МВт — 0,55...0,60; свыше 3 МВт — 0,60...0,65.
В работе [52] приведена схема комплексной системы теплоснабжения, использующей солнечную энергию и теплоту грунта. В систему (рис. 2.19) включены аккумулятор теплоты, резервный источник энергии (дублер) и компрессионный тепловой насос.
Рис. 2.19. Схема комплексной альтернативной системы теплоснабжения:
1 — солнечный коллектор; 2 — аккумулятор теплоты; 3 — тепловой насос; 4 — грунтовый теплообменник; 5 — потребители теплоты; 6 — дублер
Показателем эффективности использования альтернативных источников энергии является доля энергии от них в общей нагрузке теплоснабжения. Коэффициент эффективности φ зависит от вариантов схем системы теплоснабжения.
Первый вариант — моновалентная система, включающая гелиоколлектор (ГК) и тепловой насос (TH). В этом случае коэффициент φ представляет собой долю солнечной энергии QrK, подводимой от ГК к испарителю TH, в общей нагрузке теплоснабжения Q потр
Коэффициент φ используется для анализа эффективности работы комбинированной системы возобновляемых источников энергии. На основе анализа можно выбрать оптимальный вариант работы установки по минимальным затратам топлива на резервный источник энергии (дублер).
Вопросы использования термотрансформаторов в энергосберегающих системах с возобновляемыми источниками энергии, рассматриваются в главах 5 и 7.
2.8.2. Коллекторы с кипящим теплоносителем
В солнечном коллекторе вместо однофазного теплоносителя или воздуха может использоваться низкокипящий теплоноситель. Циркулировать кипящий теплоноситель может либо при помощи насоса, либо за счет термосифонного эффекта. В последнем случае конденсатор должен располагаться выше коллектора.
Коллекторы с кипящим теплоносителем имеют ряд преимуществ: более высокие коэффициенты теплоотдачи, улучшение характеристик переходных процессов при изменении метеорологических параметров.
Солнечным коллекторам с кипящим теплоносителем присущи и недостатки. Чтобы предотвратить замерзание, конденсатор термосифонной системы должен быть расположен внутри отапливаемого помещения. Стоимость теплоносителя достаточно велика. Нежелательна утечка органической многофазной жидкости в окружающее пространство.
В качестве теплоносителя используется гликоль или другие антифризы, хладоагенты R-ll (CFC13), R-114 (C2F4C1).
Экспериментальные исследования при использовании хладоагента R-11 показали, что КПД коллектора с кипящим теплоносителем на 6 % выше КПД коллектора с однофазным жидким теплоносителем [53]. Аналогичные результаты получены в системах горячего водоснабжения, использующих коллекторы кипящего типа и хладоагентами R-11 и R-114 в качестве теплоносителя [54].
Исследования коллектора с хладоагентом R-11 показали также, что КПД этого коллектора сильно зависит от интенсивности солнечной радиации и параметра (Т - Т )/S, где Т и Т — температуры на входе соответственно в конденсатор и в коллектор, К; S — интенсивность солнечной радиации, Вт/м2.
Схема установки с коллектором с кипящим теплоносителем показана на рис. 2.20. В установке используются плоский коллектор и конденсатор со змеевиковым теплообменником. В первом контуре циркулирует хладоагент R-11. Во втором между конденсатором и баком-аккумулятором циркулирует вода. Вспомогательный бак служит дублером и предназначен для обеспечения подачи воды потребителю при установленном значении температуры. Термосифонный процесс будет продолжаться, пока температура в конденсаторе ниже температуры насыщения поступающего в него пара теплоносителя первого контура.
Рис. 2.20. Система с плоским солнечным коллектором кипящего типа:
1 — коллектор; 2 — конденсатор; 3 — насос; 4 — бак-подогреватель; 5 — вспомогательный бак; 6 — смешивающий вентиль; 7 — вода для восполнения бака
Математическая модель для расчета коллекторов кипящего типа приведена в работе [55]. В основу моделирования процессов теплопередачи в плоском коллекторе с кипящим теплоносителем положен метод, разработанный для расчета коллектора с однофазным жидким теплоносителем [26]. При этом предполагается, что хладоагент кипит при постоянном давлении и, следовательно, при постоянной температуре. Температура в конденсаторе определяется следующим выражением:
Исследования зависимости месячного значения использованной доли солнечной радиации от площади солнечного коллектора показали, что коллектор с кипящим теплоносителем имеет более высокие показатели [54].
Параболоцилиндрический коллектор со стеклянным трубчатым приемником и черным жидким теплоносителем
В основу работы солнечного коллектора с черным теплоносителем положено объемное поглощение солнечной радиации черной жидкостью. Тщательно выполненные исследования [56] показали, что абсолютный КПД системы со стеклянной трубкой и черным теплоносителем в среднем на 5% выше, чем КПД системы с зачерненной медной трубкой, а общее количество поглощенной энергии для системы с черным теплоносителем выше на 14%. Оптимальная концентрация красителя — 4 мл на литр воды.
Для полного исключения взаимного затенения опоры коллекторов следует размещать в шахматном порядке с меридиональными осями. Для систем сезонного действия расстояние между опорами по оси рекомендуется устанавливать 1,2 высоты Н опоры, а расстояние между осями — 2,57/. Для круглогодичных режимов работы коллекторов эти расстояния такие: по оси — 2,14/7, между осями — те же 2,577.
Количество поглощенной коллектором солнечной радиации может быть повышено на 30-35 % поворотом в азимутальном направлении. Для средней полосы России достаточно производить поворот коллекторов 3-5 раз в сутки.
Эффективного уменьшения тепловых потерь можно достичь при совместном применении селективного покрытия поверхности приемника и глубокого вакуума в замкнутом пространстве, где помещен приемник теплоты. При вакуумировании внутреннего пространства оболочки до давления р < 10 1 Па перенос теплоты конвекцией становится пренебрежимо малым и может не учитываться. Вакуумированные коллекторы имеют высокую стоимость и они не перспективны для эксплуатации в сельском хозяйстве.
Для отвода теплоты от коллекторов используют также тепловые трубы. Из-за высокой передачи теплоты тепловыми трубами вопрос совмещения последних с солнечными коллекторами становится актуальным.
На практике применяются также коллекторы, в которых для увеличения интенсивности поступающей солнечной энергии между источником и приемником излучения установлено оптическое устройство — концентратор. Благодаря концентраторам (рефракторным и рефлекторным) увеличивается плотность лучистого потока, падающего на приемник, по сравнению с плоским коллектором такой же площади. Характеристики концентраторов, применяемых в системах солнечного теплоснабжения, подробно анализируются в работах [9, 57], поэтому в настоящей монографии этот вопрос не рассматривается.
Способы размещения коллекторов
На эффективность солнечных коллекторов оказывает влияние их расположение по отношению к солнечному излучению. Сравнение расчетных данных для удельных потоков дпад, Вт/ м2, падающих на поглощающую поверхность следящих, неподвижных и дискретно-ориентированных коллекторов, показало, что дискретно-ориентированные позволяют получить до 92 % максимально-возможной солнечной радиации, в то время как неподвижные получают только 70 %, т.е. в 1,3 раза меньше (рис. 2.21) [44]. Это расхождение еще более увеличивается в летний период работы гелиоустановки.
Немаловажное значение имеет и размещение коллекторов относительно друг друга во избежание возможного их взаимного затенения. На рис. 2.22 [44] представлены графики изменения суммы падающей на коллектор радиации (по отношению к радиации горизонтальной поверхности) в зависимости от угла наклона солнечного коллектора и расстояния между рядами (угол наклона коллектора равен широте местности 45°). Летом, при больших расстояниях между рядами, наибольшее количество радиации получает коллектор, наклоненный под углом 30° к горизонту.
Рис. 2.21. Сравнение расчетных значений q для следящих (1), дискретно-ориентированных (2) и неподвижных (3) систем коллекторов
Рис. 2.22. Зависимость количества теплоты, поглощаемой коллектором, от расстановки коллекторов на плоскости:
а — межотопительный период; б — за год
Рис. 2.23. Схема расстановки коллекторов на плоскости
Пока высота подъема краев коллектора при наклоне меньше половины расстояния между рядами, затенение в летнее время фактически отсутствует. При дальнейшем уменьшении этого расстояния его влияние начинает проявляться, притом тем резче, чем больше угол наклона коллектора (рис. 2.23). При круглогодичной работе коллекторов количество поглощенной теплоты изменяется с расстоянием между рядами, равным 2,0...2,2 высоты подъема края коллектора при наклоне.
