Теоретичні відомості

Використання сонячної енергії достатньо різноманітне, але найбільш очевидна область використання сонячної енергії – підігрівання повітря і води. У районах з холодним кліматом необхідне опалювання житлових будівель і гаряче водопостачання. Промисловість також вимагає велику кількість гарячої води. У Австралії, наприклад, на підігрівання рідин до температури 100° З витрачається майже 20% енергій. У зв'язку з цим в багатьох країнах, особливо в Австралії, Ізраїлі, США, Японії, Іспанії, активно розширюється виробництво сонячних нагрівальних систем.

Основним елементом сонячної нагрівальної системи є приймач - сонячний колектор (СК), в якому відбувається поглинання сонячного випромінювання і передача енергії рідини, який являє собою плоску коробчату конструкцію (рисунок 1), теплоізольовану з тильної сторони і засклену з лицьової (краще мати подвійне засклення). Сонячний колектор – пристрій, який служить для нагріву води потоком сонячної енергії.

Більшість плоских сонячних колекторів складається з чотирьох основних елементів (рисунок 1):

— поглинальної панелі з каналами для теплоносія, на поверхню якої нанесено покриття, що забезпечує поглинання не менше 90% падаючого сонячного випромінювання;

— прозорої ізоляції, яка складається, як правило, з одного або двох шарів засклення;

— теплової ізоляції, яка зменшує втрати теплоти в навколишнє середовище через днище колектора і його бокові грані;

— корпусу, де розташовані поглинальна панель і теплова ізоляція і який зверху закритий прозорою ізоляцією.

Сонячні колектори знайшли широке вживання в теплопостачанні в багатьох країнах. Робота СК заснована на парниковому ефекті, сонячні промені видимої частини спектру (короткі хвилі) вільно проходять скрізь скло і нагрівають теплоносій в середині СК, а інфрачервоне випромінювання нагрітого тіла (довгі хвилі) скло назад уже не випускає, тобто СК являє, собою "пастку" для сонячних "зайчиків".

 

1 — корпус; 2 — прозора ізоляція; 3 — канали для теплоносія; 4 — поглинальна панель; 5 — теплова ізоляція.

 

Рисунок 1 – Плоский сонячний колектор

 

Найпростіші СК містять весь об'єм рідини, яку необхідно нагрівати. Приймачі складнішої конструкції нагрівають за певний час лише невелику кількість рідини, яка, як правило, потім накопичується в окремому резервуарі (баку-акумуляторі).

Теплоенергетична ефективність СК визначається наступними факторами:

– високою пропускною здатністю світлопроникного елементу для короткохвильового потоку сонячної радіації і низькою здатністю власного інфрачервоного випромінювання абсорбера;

– високою поглинальною здатністю абсорбера для короткохвильового сонячного випромінювання.

У колекторі сонячне випромінювання перетворюється в теплоту, яка відводиться теплоносієм (вода, антифриз, повітря та ін.), що протікає в каналах поглинальної панелі. Прозора ізоляція зменшує конвекційні і променеві втрати теплоти від поглинальної панелі в атмосферу, внаслідок чого зростає теплопродуктивність колектора. Як відомо, більшість прозорих середовищ, у тому числі скло, пропускає промені селективно, тобто пропускна здатність залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання. Звичайне віконне скло залежно від вмісту в ньому заліза пропускає до 85-87% сонячного випромінювання, але практично не прозоре до власного теплового випромінювання панелі. Перехід від одинарного засклення до подвійного приводить до зменшення теплових втрат через прозору ізоляцію, але одночасно зменшується і щільність потоку випромінювання, яке падає на поглинальну панель.

Типові конструкції поглинальних панелей колекторів наведені на рисунку 2.

а — стандартний панельний опалювальний радіатор; б — панель з двох оцинкованих стальних листів — гофрованого і плоского; в — прокатно-зварна алюмінієва панель; г — регістр з труб з прикріпленим до них листом; д — способи з 'єднання металевого листа і труби; є — регістр з труб з розпираючими металевими пластинами; ж — регістр з труб з поперечними ребрами; з — регістр труб з подовжніми ребрами.

 

Рисунок 2 – Конструкція поглинальних панелей колекторів (поперечний переріз)

 

Можливість використання сонячної енергії на землі залежить від географічної широти φ, пори року та сонячного сіяння [1,2].

Річне надходження сумарної сонячної радіації в реальних умовах хмарності становить 1050-1400 кВт∙год./м² при загальному збільшенні від φ =52° до φ =43° північних широт, в яких розташована Україна [2]. За розрахунками нанесені на карту України дані по розподілу її території за інтенсивністю надходження сонячної інсоляції [4] (для прикладу дивись додаток Б для січня і додаток В для липня місяця) [2].

Оптимальні куги нахилу СК визначаються періодом роботи. Звичайно при цілорічному використанні плоского СК його розташовують під кутом до горизонту, рівним географічній широті даної місцевості φ ( = φ).

Якщо СК використовують тільки влітку, то кут його установки до горизонту зменшують на 15° ( = φ – 15°), якщо СК використовують тільки зимою то кут установки збільшують на 15° ( = φ + 15°) [1, 3].

При проектуванні систем перетворення сонячної енергії необхідно знати не тільки повну радіацію , але і її складові: пряму , і дифузну (розсіяну) радіацію

, (1)

де , і - середньомісячна добова радіація на горизонтальну поверхню Землі: повна, пряма і дифузна відповідно.

Повну радіацію, отриману горизонтальною поверхнею, називають ще інсоляцією.

Середньомісячне добове значення повної радіації на похилу поверхню СК для кожного місяця знаходять за виразом [1,3]

, (2)

де , і - пряма, дифузна і повна радіація на горизонтальну поверхню, (кДж/м²∙добу);

- коефіцієнт нахилу СК, значення якого залежить від географічної широти φ і кута нахилу поверхні СК до горизонту, значення якого розраховується або береться із таблиці [3];

- кутовий коефіцієнти дифузної радіації, який визначають за формулою

; (3)

- кутовий коефіцієнт прямої і дифузної радіації, який визначають за формулою

, (4)

де - кут нахилу СК до горизонту;

- коефіцієнт відбиття поверхні Землі, який залежить від виду покриття [3] і називається альбедо [1].

 

Коефіцієнт нахилу залежить від географічної широти , кута нахилу , нахилу Сонця і кутового сонячного часу для середини місяця. Його значення можна взяти із таблиці 1 [3].

Таблиця 1 – Коефіцієнти відбиття поверхні Землі

Характер покриття поверхні
лід та сніг	0,7
пісок	0,4
трава	0,3
бетон	0,2
асфальт, темна поверхня землі і води	0,1

 

Підставивши (3) і (4) в (2) з урахуванням (1) отримаємо вираз для середньомісячного добового значення повної радіації на похилу поверхню СК

, (5)

де - значення коефіцієнту нахилу СК із табл. таблицю 2 [3].

Для знаходження складових і повної радіації необхідно знайти коефіцієнт чистоти небесної півсфери за формулою [3]

, (6)

де - повна радіація на горизонтальну поверхню Землі (сонячні карти або рисунок 3);

- позаатмосферна добова інсоляція для середніх чисел кожного місяця, визначається із рисунка 4 [3].

Рисунок 3 – Повна добова радіація поверхні для середніх чисел кожного місяця для південної широти а) і північної широти б)

Потім із рисунка 5 [3] знаходять частку

,

звідки знаходять дифузну радіацію , а потім і пряму радіацію

(7)

а) північна широта, б) південна широта.

Рисунок 4 – Позаатмосферна добова інсоляція поверхні для середніх чисел кожного місяця

 

Рисунок 5 – Залежність

 

Повну середньомісячну добову радіацію на похилу поверхню СК для кожного місяця знаходять, підставивши знайдені значення величин у вираз (5).

Потік променистої енергії Q_пов, Вт, поверхнею приймача, що поглинається, складає

Q _пов = τ_пов α A I (8)

 

де τ_пов – коефіцієнт пропускання сонячного випромінювання прозорим покриттям, приймається рівним 0,9 для одинарного скляного покриття, 0,8 – для подвійного скляного покриття, 0,81 – для селективного скла;

α – коефіцієнт поглинання приймальною поверхнею колектора сонячного випромінювання, приймається рівним 0,9 для одинарного скляного покриття, 0,9 – для подвійного скляного покриття, 0,81 – для селективного скла;

А – площа освітлюваної поверхні колектора, м²;

I – опроміненість поверхні сонячного колектора, Вт/м².

 

Таблиця 2 – Коефіцієнти нахилу сонячного колектору

Місяць року	Широта =40°	Широта =50°
=40°	=60°	=50°	=70°
Січень	2,28	2,56	3,56	3,94
Лютий	1,80	1,90	2,49	2,62
Березень	1,36	1,32	1,65	1,62
Квітень	1,05	0,90	1,16	1,00
Травень	0,88	0,66	0,90	0,64
Червень	0,79	0,60	0,80	0,56
Липень	0,82	0,64	0,84	0,62
Серпень	0,96	0,78	1,02	0,83
Вересень	1,24	1,12	1,44	1,32
Жовтень	1,62	1,64	2,10	2,14
Листопад	2,08	2,24	3,16	3,32
Грудень	2,48	2,80	4,04	4,52

 

В процесі поглинання енергії, температура поверхні приймача підвищується і стає істотно вищим за температуру довколишнього повітря. Це наводить до виникнення зворотного теплового потоку в довкілля, який можна визначити

Q _пот = A(Т_п – Т_о.с.)/ R_п (9)

де Т_п – температура приймальної поверхні колектора, К;

Т_{о.с .} – температура довколишнього повітря, К;

R_п – термічний опір приймальній поверхні колектора, для типових колекторів можна прийняти рівним 0,13 м² К/Вт для одинарного скла, 0,22 м² К/Вт – для двошарового скла, 0,4 м² К/Вт – для селективного скла.

1 – корпус колектора; 2 – вхід води в колектор; 3 – трубки; 4 – вихід води з колектору.

 

Рисунок 6 – Схема для визначення теплового балансу сонячного колектору

 

Рівняння сонячного колектора тоді можна представити

Q_ск = A [τ_пов α I – (Т_п – Т_о.с.)/ R_п].

Проте не вся енергія, що отримується колектором, передається воді, а лише її частина, що характеризується коефіцієнтом переходу k_f сонячної енергії, що показує долю теплового потоку Qск, що передається рідині, приймається рівним 0,85

Q_ж = k_f Q_ск.

Коефіцієнт теплопередачі к залежить від швидкості вітру, кількості прозорих покриттів, відстані між ними, а також між внутрішнім склом і панеллю, від умов у повітряному проміжку колектора, ступеню чорноти поглинальної панелі в довгохвильовій частині спектра. При відсутності прозорої ізоляції швидкість вітру є визначальним фактором втрат. Вакуумування зазору приводить до різкого скорочення конвекційних втрат, а нанесення на поверхню панелей покриттів, які мають низьку ступінь чорноти в довгохвильовій частині спектру, суттєво зменшує втрати випромінюванням.

Кількість тепла, потрібного для нагріву рідини на певну різницю температур Qж, Вт можна записати у вигляді

Q_ж = Lρc(Т_к – Т_н), (10)

де Тк – кінцева температура води, К;

Тн – початкова температура води, К;

ρ – щільність води, рівна 1000 кг/м³;

с – теплоємність води, рівна 4200 Дж/кг К;

L – об'ємна витрата води, м³/с.

Рівняння теплового балансу колектора можна записати у вигляді

k _f A(τ_пов αI − (T_п − T_о.с. ) / R_п) = Lρc(T_к − T_н). (11)

З рівняння балансу сонячного колектора визначаються всі основні характеристики, наприклад площа СК

A = Lρc(T_к − T_н)/(k _f (τ_пов αI − (T_п − T_о.с. ) / R_п)) (12)

У системах гарячого водопостачання теплоносій у колекторах повинен бути нагрітий до 50°С. Цей температурний рівень достатньо ефективно забезпечується застосуванням на теплосприймаючій поверхні панелі чорної фарби. Для опалення необхідна температура від 60 до 100°С. При температурах, вищих 60°С, у теплових втратах колектора помітну частку складає випромінювання з його теплосприймаючої поверхні. Суттєве зменшення цих втрат досягається при застосуванні поглинаючих покриттів теплосприймаючої поверхні панелі, які мають селективні оптичні властивості щодо поглинальної здатності відносно сонячного випромінювання 0,9 і ступінь чорноти в діапазоні довжин хвиль власного теплового випромінювання 0,2.

Сьогодні отримано різновиди типів селективних покриттів. За допомогою методу електрохімічного осадження металів отримані покриття «чорний нікель» і «чорний хром». Їх оптичні характеристики наведені в таблиці 3.

 

 

Таблиця 3 – Оптичні характеристики покриття «чорний нікель»

Матеріал підкладки
Мідь	0,94-0,96	0,1-0,12
Латунь	0,94-0,95	0,08-0,1
Нержавіюча сталь	0,93-0,95	0,12-0,15
Низьколегована сталь	0,93-0,95	0,15-0,19
Алюміній	0,93-0,95	0,12-0,14
Металізоване скло	0,9-0,92	0,11-0,13

Покриття «чорний хром» і «чорний нікель» мають однаково високі оптичні характеристики. З технологічної точки зору «чорний нікель» є більш перспективним.

Коефіцієнт ефективності закордонних колекторів лежить у діапазоні 0,93-0,99, що свідчить про високі теплотехнічні якості поглинальних панелей. Середня площа поверхні колекторів США складає 15-25 кг/м², а в Європі — 20-30 кг/м², що пов'язане з більшим використанням сталі. У закордонних колекторах загальний обсяг каналів для теплоносія невеликий, що забезпечує низьку теплову інерцію колектора і мінімальні втрати теплоти в нічні години. Теплова ізоляція застосовується в 40-50% модифікацій з пінополіізоціанурату і у 30% — зі скловати в гідроізоляційній оболонці.

Застосування високоякісних матеріалів забезпечує закордонним колекторам високі теплотехнічні характеристики. Українські колектори розроблені в останні роки за своїми теплотехнічними, середніми поверхневими щільностями (кг/м²), габаритними площами не поступаються закордонним.

Конструктивне вдосконалення плоских СК проводиться у двох напрямках:

– пошуку нових неметалевих конструктивних матеріалів;

– удосконалення оптико-теплових характеристик найбільш відповідального вузла — абсорберів та світлопроникного елементу.

Як теплоносій у системах сонячного теплопостачання використовується вода.

Вода як теплоносій має хороші теплофізичні якості і недефіцитна, однак її суттєвим недоліком є відносно висока температура замерзання. Це утруднює експлуатацію систем при низьких температурах. Тому при експлуатації установок сонячного теплопостачання взимку рекомендується використовувати 60% розчин етиленгліколю або водно-сольові розчини з рецептурою (за масою %):

Калій вуглекислий, 1,5- водний — 51,6

Натрій фосфорнокислий, 12-водний — 4,3

Натрій кремнекислий, 9-водний — 2,6

Натрій тетраборнокислий, 10-водний — 2,0

Флуоресцеїн — 0,01

Вода до 100.

Фосфат, силікат та тетраборат натрію застосовуються для захисту матеріалів колектора від корозії. Для індикації витоків теплоносія введений флуоресцеїн. Ці розчини дають високу ефективність при використанні в алюмінієвих колекторах. Для стальних колекторів можна рекомендувати більш прості евтетики: 29,9%-ий водний розчин СаСl₂ або ТОСОЛ.