Системы солнечного теплоснабжения

Классификация и основные элементы 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.

Пассивными называются 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, рисунок 1).

В пассивных гелиосистемах использование солнечной энергии осуществляется исключительно за счет архитектурно-конструктивных решений зданий.

В пассивной системе солнечного низкотемпературного отопления здание-коллектор солнечная радиация, проникая через световые проемы в помещение, попадает как бы в тепловую ловушку. Коротковолновое солнечное излучение свободно проходит через оконное стекло и попадая на внутренние ограждения помещения, преобразуется в теплоту. Вся солнечная радиация, попавшая в помещение, преобразуется в нем в теплоту и способна частично или полностью компенсировать его тепловые потери.

Для повышения эффективности работы системы здание-коллектор световые проемы большой площади помещают на южном фасаде, снабжая их жалюзи, которые при закрытии должны препятствовать в темное время суток потерям с противоизлучением, а в жаркий период в сочетании с другими солнцезащитными устройствами — перегреву помещения. Внутренние поверхности окрашивают в темные тона.

Задачей расчета при данном способе обогрева является определение необходимой площади световых проемов для пропускания в помещение потока солнечной радиации, необходимого с учетом аккумулирования для компенсации тепловых потерь. Как правило, мощности пассивной системы здание-коллектор в холодный период оказывается недостаточно, и в здании устанавливают дополнительный теплоисточник, превращая систему в комбинированную. Расчетом при этом определяют экономически целесообразные площади световых проемов и мощность дополнительного теплоисточника.

Пассивная солнечная система воздушного низкотемпературного отопления «стена–коллектор» включает массивную наружную стену, перед которой на небольшом расстоянии устанавливают лучепрозрачный экран с жалюзи. У пола и под потолком в стене устраивают щелевидные отверстия с клапанами. Солнечные лучи, пройдя через лучепрозрачный экран, поглощаются поверхностью массивной стены и преобразуются в теплоту, которая конвекцией передается воздуху, находящемуся в пространстве между экраном и стеной. Воздух нагревается и поднимается вверх, попадая через щелевое отверстие под потолком в обслуживаемое помещение, а его место занимает остывший воздух из помещения, проникающий в пространство между стеной и экраном через щелевое отверстие у пола помещения. Подача нагретого воздуха в помещение регулируют открытием клапана. Если клапан закрыт, происходит аккумуляция теплоты массивом стены. Эту теплоту можно отобрать конвективным потоком воздуха, открывая клапан в ночное время или в пасмурную погоду.

При расчете такой системы пассивного низкотемпературного солнечного воздушного отопления определяют необходимую площадь поверхности стены. Данную систему также дублируют дополнительным источником теплоты.

Активными называются 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).

Для активных систем солнечного отопления применяют гелиоприемники двух типов: концентрирующие и плоские.

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 ^◦C 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.

Солнечная водонагревательная установка СВУ (рисунок 2) состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией Солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бакаккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический или какой-либо другой автоматический нагреватель-дублер. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

Гелиосистемы отопления 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. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рисунке 3. Она включает три контура циркуляции:

• первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;
• второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;
• третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака аккумулятора осуществляется из водопровода. Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6. Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

На рисунке 4 приведена схема системы солнечного отопления энергоэффективного экологически чистого дома.

В системе в качестве теплоносителя используют: воду при плюсовых температурах и антифриз в отопительный период (солнечный контур), воду (второй контур напольного отопления) и воздух (третий контур воздушного солнечного отопления).

В качестве дублирующего источника использован электрокотел, а для аккумулирования тепла на одни сутки используется аккумулятор объемом 5 м³ с насадкой из гальки. Один кубометр гальки аккумулирует в среднем за день 5 МДж тепла.

Низкотемпературные системы аккумулирования теплоты охватывают диапазон температур от 30 до 100 ◦C и используются в системах воздушного (30 ^◦C) и водяного (30–90 ^◦C) отопления и горячего водоснабжения (45–60 ^◦C).

Система аккумулирования теплоты, как правило, содержит резервуар, теплоаккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется накопление и хранение тепловой энергии, теплообменные устройства для подвода и отвода теплоты при зарядке и разрядке аккумулятора и тепловую изоляцию.

Аккумуляторы можно классифицировать по характеру физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах:

1.  аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого материала (галька, вода, водные растворы солей и др.);
2.  аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;
3.  аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.

Наиболее широко распространены аккумуляторы теплоты емкостного типа.

Количество теплоты Q (кДж), которое может быть накоплено в аккумуляторе теплоты емкостного типа, определяется по формуле

Наиболее эффективным теплоаккумулирующим материалом в жидкостных солнечных системах теплоснабжения является вода. Для сезонного аккумулирования теплоты перспективно использование подземных водоемов, грунта горной породы и других природных образований.

Концентрирующие гелиоприемники

Концентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или параболические зеркала (рисунок 5.), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 ^◦C) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет солнечной энергии. Область применения плоских солнечных коллекторов — системы отопления жилых и производственных зданий, системы кондиционирования, системы горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом, работающие обычно по циклу Ренкина. Плоские солнечные коллекторы (рисунки 6 и 7) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны,  обращенной к Солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения. Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70–80 ^◦C, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к увеличению конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение Солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции наоснове «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие — дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

Принцип действия коллектора основан на том, что он воспринимает солнечную радиацию с достаточно высоким коэффициентом поглощения видимого солнечного света и имеет сравнительно низкие тепловые потери, в том числе за счет низкого коэффициента пропускания светопрозрачного стеклянного покрытия для теплового излучения при рабочей температуре. Ясно, что температура получаемого теплоносителя определяется тепловым балансом коллектора. Приходную часть баланса представляет тепловой поток солнечного излучения с учетом оптического КПД коллектора; расходная часть определяется извлекаемым полезным теплом, суммарным коэффициентом тепловых потерь и разностью рабочей температуры и окружающей среды. Совершенство коллектора определяется его оптическим и тепловым КПД.

Оптический КПД η_о показывает, какая часть солнечной радиации, достигшей поверхности остекления коллектора, оказывается поглощенной абсорбирующей излучение черной поверхностью, и учитывает потери энергии, связанные с поглощением в стекле, отражением и отличием коэффициента теплового излучения абсорбирующей поверхности от единицы.

Простейший солнечный коллектор с одностекольным светопрозрачным покрытием, пенополиуретановой изоляцией остальных поверхностей и абсорбером, покрытым черной краской, имеет оптический КПД около 85%, а коэффициент тепловых потерь порядка 5–6 Вт/(м² · К) (рис. 7). Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя образует единый конструктивный элемент — абсорбер. Такой коллектор летом в средних широтах может нагреть воду до 55–60 ^◦C и имеет дневную производительность в среднем 70–80 л воды с 1 м² поверхности нагревателя.

Для получения более высоких температур применяют коллекторы из вакуумированных труб с селективным покрытием (рисунок 8).

В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством (каждый элемент абсорбера помещается в отдельную стеклянную трубу, внутри которой создается вакуум), что позволяет практически полностью устранить потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются за счет применения селективного покрытия. В вакуумном коллекторе теплоноситель можно нагреть до 120–150 ◦C. КПД вакуумного коллектора существенно выше, чем плоского коллектора, но и стоит он значительно дороже.

Эффективность работы гелиоэнергетических установок во многом зависит от оптических свойств поверхности, поглощающей солнечное излучение. Для сведения к минимуму потерь энергии необходимо, чтобы в видимой и ближней инфракрасных областях солнечного спектра коэффициент поглощения этой поверхности был как можно ближе к единице, а в области длин волн собственного теплового излучения поверхности к единице должен стремиться коэффициент отражения. Таким образом, поверхность должна обладать селективными свойствами — хорошо поглощать коротковолновое излучение и хорошо отражать длинноволновое.

По типу механизма, ответственного за избирательность оптических свойств, различают четыре группы селективных покрытий:

1. собственные;
2. двухслойные, у которых верхний слой обладает большим коэффициентом поглощения в видимой области спектра и малым — в инфракрасной области, а нижний слой — высоким коэффициентом отражения в инфракрасной области;
3. с микрорельефом, обеспечивающим требуемый эффект;
4. интерференционные.

Собственной избирательностью оптических свойств обладает небольшое число известных материалов, например W, Cu₂S, HfC.

Наибольшее распространение получили двухслойные селективные покрытия. На поверхность, которой необходимо придать селективные свойства, наносится слой с большим коэффициентом отражения в длинноволновой области спектра, например медь, никель, молибден, серебро, алюминий. Поверх этого слоя наносится слой, прозрачный в длинноволновой области, но имеющий высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Такими свойствами обладают многие окислы.

Селективность поверхности может быть обеспечена за счет чисто геометрических факторов: неровности поверхности должны быть больше длины волны света в видимой и ближней инфракрасной областях спектра и меньше длины волны, соответствующей собственному тепловому излучению поверхности. Такая поверхность для первой из указанных областей спектра будет черной, а для второй — зеркальной.

Селективными свойствами обладают поверхности с дендритной или пористой структурой при соответствующих размерах дендритных игл или пор.

Интерференционные селективные поверхности образованы несколькими перемежающимися слоями металла и диэлектрика, в которых коротковолновое излучение гасится за счет интерференции, а длинноволновое — свободно отражается.

Масштабы использования солнечных систем теплоснабжения

По данным МЭА к концу 2001 г. суммарная площадь установленных коллекторов в 26 странах, наиболее активных в этом отношении, составила около 100 млн м², из которых 27,7 млн м² приходится на долю неостекленных коллекторов, в основном используемых для подогрева воды в бассейнах. Остальные — плоские остекленные коллекторы и коллекторы с вакуумироваными трубами, — использовались в системах ГВС или для отопления помещений. По площади установленных коллекторов, приходящейся на 1000 жителей, лидируют Израиль (608 м²), Греция (298) и Австрия (220). Следом идут Турция, Япония, Австралия, Дания и Германия с удельной площадью установленных коллекторов 118–45 м²/1000 жителей.

Общая площадь солнечных коллекторов, установленных к концу 2004 г., в странах ЕС достигла 13,96 млн м2, а в мире уже превысила 150 млн м². Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12 %, а в отдельных странах находится на уровне 28–30% и более. Мировой лидер по количеству коллекторов на тысячу жителей — Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м² солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия — 47%, далее следует Греция — 14%, Австрия —12 %, Испания — 6 %, Италия — 4 %, Франция — 3 %. Европейские страны — бесспорные лидеры в разработке новых технологий систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объемах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок.

Из общей площади солнечных коллекторов, установленных в мире в 2004 г., 78% установлено в Китае. Рынок СВУ в Китае в последнее время растет с темпом 28% в год.

В 2007 г. общая площадь солнечных коллекторов, установленных в мире, уже составляла 200 млн м2, в том числе в Европе — более 20 млн м².

Сегодня на мировом рынке стоимость СВУ (рисунок 9), включающей коллектор площадью 5–6м², бак-аккумулятор емкостью около 300 л и необходимую арматуру, составляет 300–400 $ США в расчете на 1 м² коллектора. Такие системы преимущественно устанавливаются в индивидуальных одно- и двухсемейных домах и имеют резервный нагреватель (электро- или газовый). При установке бака-аккумулятора выше коллектора система может работать на естественной циркуляции (термосифонный принцип); при установке бака-аккумулятора в подвале — на принудительной.

В мировой практике наиболее широко распространены малые системы солнечного теплоснабжения. Как правило, такие системы включают в себя солнечные коллекторы общей площадью 2–8 м², бак-аккумулятор, емкость которого определяется площадью установленных коллекторов, циркуляционный насос (в зависимости от типа тепловой схемы) и другое вспомогательное оборудование.

Активные системы большого размера, в которых бак-аккумулятор находится ниже коллекторов и циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса, применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления. Как правило, в активных системах, участвующих в покрытии части нагрузки отопления, предусматривается дублирующий источник тепла, работающий на электроэнергии или газе.

Сравнительно новое явление в практике использования солнечного теплоснабжения — крупные системы, способные обеспечить нужды горячего водоснабжения и отопления многоквартирных домов или целых жилых кварталов. В таких системах предусмотрено либо суточное, либо сезонное аккумулирование тепла. Суточное аккумулирование предполагает возможность работы системы с расходованием тепла, накопленного в течение нескольких суток, сезонное — в течение нескольких месяцев. Для сезонного аккумулирования тепла используют большие подземные резервуары, наполненные водой, в которые сбрасываются все излишки тепла, получаемого от коллекторов в течение лета. Другой вариант сезонного аккумулирования — прогрев грунта с помощью скважин с трубами, по которым циркулирует горячая вода, поступающая от коллекторов.

В таблице 1 приведены основные параметры крупных солнечных систем с суточным и сезонным аккумулированием тепла в сравнении с малой солнечной системой для односемейного дома.

В настоящее время в Европе функционируют 10 солнечных систем теплоснабжения с площадью коллекторов от 2400 до 8040 м², 22 системы с площадью коллекторов от 1000 до 1250 м² и 25 систем с площадью коллекторов от 500 до 1000 м². Ниже приведены характеристики для некоторых крупных систем.

Hamburg (Германия). Площадь отапливаемых помещений — 14800 м². Площадь солнечных коллекторов — 3000 м². Объем водяного аккумулятора тепла — 4500 м³.

Fridrichshafen (Германия). Площадь отапливаемых помещений — 33000 м². Площадь солнечных коллекторов — 4050 м². Объем водяного аккумулятора тепла — 12000 м³.

Ulm-am-Neckar (Германия). Площадь отапливаемых помещений — 25000 м². Площадь солнечных коллекторов — 5300 м². Объем грунтового аккумулятора тепла — 63400 м³.

Rostock (Германия). Площадь отапливаемых помещений — 7000 м². Площадь солнечных коллекторов — 1000 м². Объем грунтового аккумулятора тепла — 20000 м³.

Hemnitz (Германия). Площадь отапливаемых помещений — 4680 м². Площадь вакуумных солнечных коллекторов — 540 м². Объем гравийно-водяного аккумулятора тепла — 8000 м³.

Attenkirchen (Германия). Площадь отапливаемых помещений — 4500 м². Площадь вакуумных солнечных коллекторов — 800 м². Объем грунтового аккумулятора тепла — 9850 м³.

Saro (Швеция). Система состоит из 10 небольших домов, включающих 48 квартир. Площадь солнечных коллекторов — 740 м². Объем водяного аккумулятора тепла — 640 м³. Солнечная система покрывает 35% общей тепловой нагрузки системы теплоснабжения.

В настоящее время в России существует несколько фирм, выпускающих солнечные коллекторы, пригодные для надежной эксплуатации. Основные из них — это Ковровский механический завод, НПО Машиностроение и ЗАО АЛЬТЭН.

Коллекторы Ковровского механического завода (рисунок 10), не имеющие селективного покрытия, дешевые и простые по конструкции, ориентированы в основном на внутренний рынок. В Краснодарском крае в настоящее время установлено более 1500 коллекторов такого типа.

Коллектор НПО Машиностроения по характеристикам близок к европейским стандартам. Абсорбер коллектора выполнен из алюминиевого сплава с селективным покрытием и рассчитан главным образом на работу в двухконтурных схемах теплоснабжения, поскольку прямой контакт воды с алюминиевыми сплавами может привести к питинговой коррозии каналов, по которым проходит теплоноситель.

Коллектор АЛЬТЭН-1 имеет совершенно новую конструкцию и удовлетворяет европейским стандартам, его можно использовать как в одноконтурных, так и двухконтурных схемах теплоснабжения. Коллектор отличается высокими теплотехническими характеристиками, широким диапазоном возможных применений, малым весом и привлекательным дизайном.

Опыт эксплуатации установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов, связанная с селективными покрытиями, повышением прозрачности остекления, вакуумированием и т. д. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м²).

Эффективное использование солнечной энергии

В жилых и административных зданиях солнечную энергию в основном используют в форме тепла для удовлетворения нужд в горячем водоснабжении, отоплении, охлаждении, вентиляции, сушки и т. п.

Использование солнечного тепла с экономической точки зрения наиболее выгодно при создании систем горячего водоснабжения и в близких к ним по техническому воплощению установках для подогрева воды (в бассейнах, промышленных устройствах). Горячее водоснабжение необходимо в каждом жилом доме, и, поскольку потребности в горячей воде относительно мало меняются в течение года, эффективность таких установок высокая и они быстро окупаются.

Что касается систем солнечного отопления, то период их использования в течение года короткий, в отопительный период интенсивность солнечного излучения низкая и соответственно площадь коллекторов значительно больше, чем в системах горячего водоснабжения, и экономическая эффективность ниже. Обычно при проектировании совмещают систему солнечного отопления и горячего водоснабжения.

В системах солнечного охлаждения период эксплуатации еще ниже (три летних месяца), что влечет к продолжительному простою оборудования и очень низкому коэффициенту их использования. С учетом высокой стоимости оборудования для охлаждения экономическая эффективность систем становится минимальной.

Годовой коэффициент использования оборудования в комбинированных системах теплохладоснабжения (горячее водоснабжение, отопление и охлаждение) получается наиболее высоким, и эти системы на первый взгляд более выгодны, чем комбинированные системы отопления и горячего водоснабжения. Однако если при этом учесть стоимость необходимых солнечных коллекторов и механизмов системы охлаждения, то окажется, что такие солнечные установки будут очень дорогими и едва ли станут экономически выгодными.

При создании систем солнечного отопления следует применять пассивные схемы, предусматривающие повышение теплоизоляции здания и эффективное использование поступающего через оконные проемы солнечного излучения. Проблему теплоизоляции необходимо решать на основе архитектурно-конструктивных элементов, с использованием малотеплопроводных материалов и конструкций. Недостающее тепло рекомендуется восполнять при помощи активных солнечных систем.

Экономические характеристики солнечных коллекторов

Основная проблема широкого использования солнечных установок связана с их недостаточной экономической эффективностью по сравнению с традиционными системами теплоснабжения. Стоимость тепловой энергии в установках с солнечными коллекторами выше, чем в установках с традиционными топливами. Срок окупаемости солнечной тепловой установки T_ок можно определить по формуле:

Экономический эффект установки солнечных коллекторов в зонах централизованного энергоснабжения Э может быть определен как доход от продажи энергии в период всего срока службы установки за вычетом издержек эксплуатации:

В таблице 2 представлена стоимость систем солнечного теплоснабжения (в ценах 1995 г.). Данные показывают, что отечественные разработки в 2,5–3 раза дешевле зарубежных.

Низкая цена отечественных систем объясняется тем, что они выполнены из дешевых материалов, просты по конструкции и ориентированы на внутренний рынок.

Удельный экономический эффект (Э/S) в зоне централизованного теплоснабжения, в зависимости от срока службы коллекторов, составляет от 200 до 800 руб/м².

Гораздо больший экономический эффект имеют установки теплоснабжения с солнечными коллекторами в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, которые в России составляют свыше 70% ее территории с населением около 22 млн человек. Эти установки предназначены для работы в автономном режиме на индивидуальных потребителей, где потребности в тепловой энергии весьма значительны. В то же время стоимость традиционных топлив намного выше их стоимости в зонах централизованного теплоснабжения из-за транспортных расходов и потерь топлива при транспортировке, т. е. в стоимость топлива в регионе Ц_тр включается региональный фактор r_р:

где r_р > 1 и для различных регионов может изменять свою величину. В то же время удельная стоимость установки C почти не изменяется в сравнении с Ц_тр. Поэтому при замене Ц_т на Ц_тр в формулах

рассчитываемый срок окупаемости автономных установок в зонах, удаленных от централизованных сетей, уменьшается в r_р раз, а экономический эффект возрастает пропорционально r_р.

В сегодняшних условиях России, когда цены на энергоносители постоянно растут и имеют неравномерность по регионам из-за условий транспортировки, решение вопроса об экономической целесообразности использования солнечных коллекторов сильно зависит от местных социально-экономических, географических и климатических условий.

Солнечно-геотермальная система теплоснабжения

С точки зрения бесперебойного обеспечения потребителя энергией наиболее эффективны комбинированные технологические системы, использующие два и более вида ВИЭ.

За счет солнечной тепловой энергии можно полностью обеспечить потребности в горячей воде в доме в летнее время. В осенне-весенний период от Солнца можно получить до 30% требуемой энергии на отопление и до 60% от потребностей на горячее водоснабжение.

В последние годы активно развиваются геотермальные системы теплоснабжения на основе тепловых насосов. В таких системах, как отмечалось выше, в качестве первичного источника тепла используется низкопотенциальная (20–40 ^◦C) термальная вода или петротермальная энергия верхних слоев земной коры. При использовании тепла грунта применяются грунтовые теплообменники, размещаемые либо в вертикальных скважинах глубиной 100–300 м, либо на некоторой глубине горизонтально.

Для эффективного обеспечения теплом и горячей водой децентрализованных потребителей небольшой мощности в ИПГ ДНЦ РАН разработана комбинированная солнечно-геотермальная система (рисунок 11).

Такая система состоит из солнечного коллектора 1, теплообменника 2, бака-аккумулятора 3, теплового насоса 7 и скважины-теплообменника 8. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией Солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник 2, вмонтированный в бак-аккумулятор 3. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор вмонтирован и электрический нагреватель 6. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) электронагреватель автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

Блок солнечного коллектора эксплуатируется круглогодично и обеспечивает потребителя горячей водой, а блок низкотемпературного напольного отопления с тепловым насосом (ТН) и скважиной-теплообменником глубиной 100–200 м включается в эксплуатацию только в отопительный период.

В цикле ТН холодная вода с температурой 5 ^◦C опускается в межтрубном пространстве скважины-теплообменника и отбирает низкопотенциальное тепло с окружающей горной породы. Далее нагретая в зависимости от глубины скважины до температуры 10–15 ^◦C вода поднимается по центральной колонне труб на поверхность. Для предотвращения обратного оттока тепла центральная колонна снаружи теплоизолирована. На поверхности вода из скважины поступает в испаритель ТН, где происходит нагрев и испарение низкокипящего рабочего агента. После испарителя охлажденная вода вновь направляется в скважину. За отопительный период при постоянной циркуляции воды в скважине происходит постепенное охлаждение горной породы вокруг скважины.

Расчетные исследования показывают, что радиус фронта охлаждения за отопительный период может достигать 5–7 м. В межотопительный период, когда система отопления отключается, происходит частичное (до 70%) восстановление температурного поля вокруг скважины за счет притока тепла от пород вне зоны охлаждения; достичь полного восстановления температурного поля вокруг скважины за время ее простоя не удается.

Солнечные коллекторы устанавливаются из расчета для зимнего периода эксплуатации системы, когда солнечное сияние минимальное. В летний период часть горячей воды из бака-аккумулятора направляется в скважину для полного восстановления температуры в горной породе вокруг скважины.

В межотопительный период вентили 13 и 14 закрыты, и при открытых вентилях 15 и 16 горячая вода из бака аккумулятора циркуляционным насосом закачивается в межтрубное пространство скважины, где по мере спуска происходит теплообмен с окружающей скважину горной породой. Далее охлажденная вода по центральной теплоизолированной колонне направляется обратно в бак-аккумулятор. В отопительный период наоборот вентили 13 и 14 открыты, а вентили 15 и 16 закрыты.

В предложенной технологической системе потенциал солнечной энергии используется на нагрев воды в системе горячего водоснабжения и горных пород вокруг скважины в системе низкотемпературного отопления. Регенерация тепла в горной породе позволяет эксплуатировать систему теплоснабжения в экономически оптимальном режиме.

Солнечные тепловые электростанции

Солнце – значительный источник энергии на планете Земля. Солнечная энергетика очень часто становится предметом самых разнообразных дискуссий. Как только появляется проект новой солнечной электростанции, возникают вопросы об эффективности, мощности, объемах инвестированных средств и сроках окупаемости.

Есть ученые, которые видят в солнечных тепловых электростанциях угрозу для окружающей среды. Использующиеся в тепловых солнечных электростанциях зеркала очень сильно нагревают воздух, что приводит к изменению климата и к смерти птиц, пролетающих мимо. Несмотря на это, в последние годы солнечные тепловые электростанции получают все большее распространение. В 1984 году вступила в строй первая солнечная электростанция около калифорнийского города Крамер Джанкшен в пустыне Мохабе (рис. 6.1). Станция получила название Solar Energy Generating System, или сокращенно SEGS.

На данной электростанции солнечную радиацию используют для получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечной тепловой электроэнергии в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно. В настоящее время энергокомпаниями США уже построены солнечные тепловые электростанции общей установленной мощностью более 400 МВт, которые обеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают 2,3 млн баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохабе, имеют 354 МВт установленной мощности. В других регионах мира также скоро должны быть начаты проекты по использованию солнечного тепла для выработки электроэнергии. Индия, Египет, Марокко и Мексика разрабатывают соответствующие программы. Гранты для их финансирования предоставляет Глобальная программа защиты окружающей среды (GEF). В Греции, Испании и США новые проекты разрабатываются независимыми производителями электроэнергии.

По способу производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.

Солнечные концентраторы

Тепловые солнечные электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз и рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать электричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду. Большие зеркала – с точечным либо линейным фокусом – концентрируют солнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Эти системы могут превращать солнечную энергию в электричество с КПД около 15 %. Все тепловые электростанции, кроме солнечных прудов, для достижения высоких температур применяют концентраторы, которые отражают свет Солнца с большей поверхности на меньшую поверхность приемника. Обычно такая система состоит из концентратора, приемника, теплоносителя, аккумулирующей системы и системы передачи энергии. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции – это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества, то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость. Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

Солнечные установки с параболическим концентратором

В некоторых тепловых солнечных электростанциях используются параболические зеркала, которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 ºC и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными (рис. 6.2).

Оценки данной технологии показывают более высокую стоимость вырабатываемой электроэнергии, чем у других солнечных тепловых электростанций. Это объясняется низкой концентрацией солнечного излучения, более низкими температурами. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Солнечная электростанция тарельчатого типа

Солнечные установки тарельчатого типа представляют собой батарею параболических тарелочных зеркал схожих формой со спутниковой тарелкой, которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки (рис. 6.3). Жидкость в приемнике нагревается до 1000 ºС и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%. Благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей, так и для гибридных, работающих на общую сеть.

Солнечные электростанции башенного типа

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником используют вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор (рис. 6.4, рис. 6.5).

Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 500 до 1500 ºC. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей вырабатывать электроэнергию по заранее заданному графику.

Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах (рис. 6.6).

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли – на поверхности. Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает. Горячий придонный “рассол” используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.

Достоинства и недостатки солнечных тепловых электростанций

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником и солнечные электростанции с параболическими концентраторами оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как солнечные электростанции тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт.

Солнечные параболические концентраторы – на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа с центральным приемником, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер установок тарельчатого типа позволяет использовать их в небольших установках. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником и установки тарельчатого типа позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у электростанций с солнечными параболическими концентраторами. В табл. 6.1 приведены основные характеристики трех вариантов солнечной тепловой электрогенерации.