Лекция №4. Использование солнца как источника тепловой энергии.
Содержание лекции:классификация и основные элементы систем солнечного теплоснабжения,классификация и конструкций солнечных коллекторов, плоские солнечные коллекторы
Цель лекции: изучение устройства и принцип работы систем солнечного теплоснабжения и конструкций плоских коллекторов
Классификация и основные элементы систем солнечного теплоснабжения (гелиосистем).
Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.
По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.
Пассивныминазываются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (см. рисунок 1).
1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены;
Рисунок 1 – Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления «стена-коллектор»
Активныминазываются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию.
Активные гелиосистемы могут быть подразделены:
− по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);
− по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);
− по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);
− по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).
Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.
Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.
Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.
Гелиосистемы отопления (круглогодичные) зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).
Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.
Одноконтурные установки – наиболее распространенный вид гелиоустановок. Одноконтурные установки нашли широкое применение в странах с жарким климатом: Израиле, Турции, Кипре, Греции, Франции и др.
Конструкция одноконтурной гелиоустановки с естественной циркуляцией показана на рисунке 2. Установка укомплектована гелиоколлекторами и баком-аккумулятором.
Рисунок 2 — Конструкция одноконтурной гелиоустановки с естественной циркуляцией
Достоинства:простота, высокий КПД.
Недостатки:невозможность работы при отрицательных температур (сезонность), коррозия из-за наличия растворенного кислорода в воде, высокие требования к качеству (солесодержанию) воды.
Двухконтурные гелиоустановки разработаны с целью увеличения сезонного времени эксплуатации.
В настоящее время в мире разработаны множество разновидностей двухконтурных установок, где наибольшую активность проявляют Россия, Япония, Германия, США.
Двухконтурная гелиоустановкас естественной циркуляцией состоит из двух контуров (рисунок 3). Первый контур состоит из: солнечного коллектора, бака накопителя горячей воды, теплообменника, установленного в баке, расширительного бачка первичного контура и воздухоотводчик (рисунок). Второй контур состоит из бака накопителя горячей воды (аккумулятора) и трубопроводов холодной и горячей воды, запорно-регулирующей арматуры.
Достоинства установки — модульный принцип позволяет применить естественную циркуляцию теплоносителя первичного контура, возможность работы в зимнее время благодаря использованию антифриза, повышение надежности работы и срока службы.
Недостатки двухконтурной гелиоустановки –необходимость теплообменника, дополнительные потери, необходимость периодически замены теплоносителя в первичном контуре.
Рисунок 3 — Конструкция двухконтурной гелиоустановки с естественной циркуляцией
Двухконтурная гелиоустановкас принудительной циркуляцией аналогично предыдущей, но первичный контур дополнительно снабжен с насосной станцией, щит управлением, терморегуляторами, манометром, предохранительным клапаном и запорно-регулирующей арматурой (рисунок 4).
Данная установка имеет следующие достоинства:
— благодаря принудительной циркуляции теплоносителя на 30% улучшается теплосъем с гелиоколлекторов;
— возможность установки бака-аккумулятора в любом удобном месте;
— возможность работы в оптимальном режиме;
— легкость управления работой установки;
Недостатки:необходимостьиспользования насосов и дополнтельный расход электроэнергии на работу насоса.
Многоконтурными бывают комбинированные установки, снабженные теплогенераторами, работающими на органических топливах или электроэнергии (рисунок 5). На рисунке 6 показан дом, оборудованный комбинированной гелиоустановкой.
Двухконтурная гелиоустановка для системы отопления и горячего водоснабжения показана на рисунке 4.
Рисунок 4 — Конструкция двухконтурной гелиоустановки с принудительной циркуляцией
1 – гелиоколлектор; 2- аккумулятор; 3- щит управления; 4 – насосная станция; 5 – расширительный бачок; 6 – дополнительный источник теплоты; 7 – выход горячей воды ; 8- вход горячей воды.
Рисунок 5 — Многоконтурная комбинированная установка
Ррисунок 6 — Дом, оборудованный комбинированной гелиоустановкой.
1 – гелиоколлектор; 2- – расширительный бачок; 3- аккумулятор 4 – огневой печь.
Рисунок 7 — Двухконтурная гелиоустановка для системы отопления и горячего водоснабжения
Дата добавления: 2015-12-08 ; просмотров: 1477 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Варианты использования солнечной энергии в хозяйственной деятельности
Энергия солнца представляет собой поток фотонов и имеет огромное значение для всего живого на нашей планете. Солнце обеспечивает существование жизни на Земле, влияя на основополагающие процессы в биосфере. Благодаря солнцу нагреваются моря, реки, поверхность планеты, дует ветер и так далее. Человек уже давно стал использовать свет от солнца в своей хозяйственной деятельности. Но альтернативная энергетика оформилась в качестве самостоятельной отрасли не так давно. Между тем солнечная энергия играет всё более важную роль в хозяйственной деятельности. Как источник тепла солнце используется давно, а в последнее время появляется большое количество устройств и систем для этого. Сегодня мы поговорим о том, как человек использует солнечную энергию.
Где используется солнечная энергия?
Использование солнечной энергии ежегодно увеличивается. Не так давно энергия солнца использовалась для нагрева воды на даче в летнем душе. А сегодня различные установки уже используются для обогрева частных домов, в градирнях. Солнечные батареи вырабатывают электричество, необходимое для обеспечения энергией небольших посёлков.
- Авиация и космическая отрасль;
- Сельское хозяйство. Отопление и обеспечение электричеством теплиц, ангаров и прочих хозяйственных построек;
- Использование солнечной энергии в быту (отопление и электрификация жилых домов);
- Электроснабжение объектов медицины и спорта;
- Использование солнечной энергии для освещения городских объектов;
- Электрификация небольших населённых пунктов.
Использование первых образцов солнечных модулей подтвердило, что энергия солнца имеет существенные плюсы по сравнению с традиционными источниками. Основные преимущества гелиосистем – это практически неограниченный запас, отсутствие вреда окружающей среде, а также бесплатное использование.
Этот список плюсов стоит расширить:
- Стабильное питание, поскольку ток от гелиобатарей не имеет скачков напряжения;
- Автономная работа гелиосистем. Для них не требуется внешней инфраструктуры;
- Срок службы более 20 лет;
- Гелиосистемы практичны и просты в эксплуатации. Основные вложения делают при монтаже.
Особенности использования солнечной энергии
Фотоэнергия излучения солнца преобразуется в фотоэлектрических элементах. Это двухслойная структура, состоящая из 2 полупроводников различного типа. Полупроводник внизу – это p-тип, а верхний − n-тип. У первого недостаток электронов, а у второго − избыток.
На сегодняшний день выпускаются несколько видов фотоэлементов:
- Монокристаллические. Они выпускаются из монокристаллов кремния и имеют равномерную кристаллическую структуру. Среди остальных типов выделяются самым высоким КПД (около 20 процентов) и увеличенной стоимостью;
- Поликристаллические. Структура поликристаллическая, менее равномерная. Стоят дешевле и имеют КПД от 15 до 18 процентов;
- Тонкопленочные. Эти фотоэлементы изготовлены напылением на гибкую подложку аморфного кремния. Такие фотоэлементы дешевле всего, но и КПД у них оставляет желать лучшего. Они используются при производстве гибких солнечных панелей.
Как человек использует солнечную энергию?
Можно выделить две группы систем, которые используются человеком для преобразования энергии солнца в тепловую и электрическую. Это пассивные и активные системы.
Среди примеров пассивных систем для использования энергии солнца можно назвать некоторые строения. При их возведении применялись строительные материалы, имеющие высокую величину поглощения светового излучения. Причём эти строения возводятся с учётом особенностей климата, в котором они построены. Материалы, из которых построены эти дома, используют энергию солнца для освещения и обогрева помещений в здании. В частности, это деревянные полы, светопоглощающие панели, изоляция, ориентация дома на южную сторону.
Благодаря своей конструкции, пассивные системы достигают максимально выгодного использования световой энергии. В результате, за счёт снижения расходов на коммунальные расходы такие дома себя быстро окупают. Эти строения независимы в энергетическом плане и не загрязняют окружающую среду.
Тепловые коллекторы
Эти устройства используют излучение солнца для преобразования его в тепло. Можно выделить следующие основные виды коллекторов:
Плоские. Они наиболее распространены. Их используют как для отопления, так и для горячего водоснабжения. Обычно такие коллекторы используют только в летнее время, поскольку зимой их эффективность резко падает. Об изготовлении таких солнечных коллекторов своими руками можно прочитать по ссылке;
- Вакуумные. Сфера их использования, как и у плоских. Но они используются, когда требуется горячая вода более высокой температуры. В них трубки теплообменника находятся в вакууме внутри стеклянных трубок. Внутри циркулирует теплоноситель. Как правило, такие установки делаются на производстве, а не в домашних условиях. Они функционируют круглый год, даже в российском климате;
- Воздушные. Сфера использование таких устройств – это воздушное отопление и осушительные установки. Могут использоваться при температуре на улице не ниже 5─10 градусов Цельсия;
- Интегрированные коллекторы. Наиболее простая конструкция. Это специальные баки с теплоизоляцией, где нагревается вода. В дальнейшем она используется на хозяйственные нужды.
Солнечные батареи
Эти устройства используют излучение солнца для преобразования его в электрическую энергию. Для этого используются фотоэлектрические элементы. При попадании на них света они вырабатывают электрическую энергию. Один такой фотоэлемент имеет маленькую мощность. Поэтому их последовательно соединяют в батареи. Часто умельцы занимаются созданием таких солнечных батарей своими руками. Подробнее об этом можно прочитать по ссылке.
Солнечные электростанции
В тех регионах мира, где высокая солнечная инсоляция, делают не просто одиночные гелиостанции, а настоящие электростанции промышленного масштаба. Они вырабатывают электричество, объёма которого хватает для обеспечения энергией небольших населённых пунктов. Многие южные страны уже имеют большой процент использования солнечной энергии в своих национальных энергосистемах. Солнечные электростанции вырабатывают электричество или горячую воду. То есть, работают как батареи и коллекторы. К примеру, власти Калифорнии (США) собираются до 2020 года довести долю выработки электричества с гелиоэлектростанций в энергосистеме штата до 30%.
Электротранспорт на солнечных батареях
Постепенно идёт внедрение солнечных батарей на автомобильном транспорте. Образцы, которые целиком работают от солнечных батарей, пока ещё существуют только в виде концепт-каров. Использование их в массовом масштабе на данный момент невозможно.
В них гелиопанели устанавливаются на поверхность кузова и заряжают аккумуляторы. Те, в свою очередь, обеспечивают питание электромотора. Использование батарей в серийных моделях ограничивается тем, что их используют для питания отдельных узлов автомобиля. Подробнее читайте в статье «Солнечная энергия в автомобилестроении».
Прочие направления
Ниже приводятся ещё некоторые примеры того, как человек использует солнечную энергию. Все перечисленные предметы существуют в исполнении, работающем от гелиобатарей:
- Термометр;
- Детские игрушки;
- Фонтан;
- Power bank на солнечных батареях для зарядки различных гаджетов;
- Всевозможные светильники;
- Походные солнечные батареи;
- Радиоприёмник;
- Двигатель;
- Есть даже самолёт на солнечных батареях.
Источник