IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В XXI веке использование огромного количества электрической и тепловой энергии, произведенной за счет природных источников (газ, нефть и т.д.), приведут к неизбежному росту ее цены во всем мире. Сокращение запасов природных энергоресурсов, неизбежное загрязнение окружающей среды поставили человечество перед необходимостью использования возобновляемых источников энергии. Важным направлением экономии топливно-энергетических ресурсов является использование в энергоснабжении, в том числе теплоснабжении, возобновляемых источников энергии.

На сегодняшний день тенденция использования возобновляемых источников энергии, к которым относятся солнечный свет, ветер, водные потоки и приливы, многократно растет. [1]

Табл. 1. Глобальные показатели возобновляемой энергии с 2008 по 2015 г.

В России, в настоящее время находятся в эксплуатации несколько десятков месторождений термальных вод, расположенных на Кавказе и на Камчатке. Системы геотермального теплоснабжения также получили широкое распространение за рубежом: в Исландии, Во Франции, Румынии, США и других странах.

Не смотря на эффективность таких систем, они имеют ряд специфических особенностей:

• Ограниченное число регионов с наличием термальных вод;

• Повышенная коррозийная активность и повышенная жесткость воды, что заставляет применять фильтры, либо двухконтурные системы;

В южных регионах России достаточно благоприятные условия для солнечного теплоснабжения. Продолжительность солнечного сияния составляет 2200…3000 ч в год, а солнечная радиация – 1200…1700 кВт*ч на 1 м² горизонтальной поверхности.

Солнечная энергетика имеет на сегодняшний день самые широкие перспективы: количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли за неделю превышает энергию мировых запасов нефти, газа, угля и урана вместе взятых.

Одна из проблем солнечной энергетики – это дороговизна использования в промышленном масштабе из-за недостаточной эффективности солнечных коллекторов - устройств для сбора тепловой энергии Солнца. Небольшая эффективность проявляется из-за низких поглощательных способностей абсорбирующих поверхностей. Для увеличения эффективности солнечного коллектора наносят высокоселективные черные покрытия. При создании черных светопоглощающих покрытий для гелиоустановок величины α и ε играют важнейшую роль - именно от их значений зависит эффективность преобразования солнечной радиации в теплоту.

Перспективы внедрения систем солнечного теплоснабжения

По оценкам ученых годовое поступление солнечной энергии на Землю в 50 тыс. раз превышает энергопотребление человечеством. Этот источник практически неистощим, а методы преобразования солнечной энергии основаны на экологически чистых процессах. Солнечная энергия в настоящее время активно используется для отопления зданий, подогрева воды, производства электрической энергии в космосе и на земле. На сегодняшний день проведенные работы, направленные на использование солнечной энергии, обеспечили необходимые условия, позволяющие перейти от строительства экспериментальных установок к массовому применению в системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий. Разрабатываются различные конструкции солнечных коллекторов и селективные покрытия поглощающих элементов. Ряд организаций ведет комплекс работ по созданию пассивных систем солнечного теплоснабжения, которые основаны на применении архитектурных и конструктивных решений, повышающих степень использования солнечной радиации без применения специального гелиотехнического оборудования. Выполняются работы в области создания систем централизованного солнечного теплоснабжения. Особенность централизованных систем заключается: в комплексном решении вопросов теплоснабжения городской застройки; создании крупных гелиоструктур; Повышении эффективности работы ТЭЦ, за счет нетрадиционных источников энергии.

Использование систем солнечного теплоснабжения является перспективным. Это позволит сократить расходы органического топлива и улучшить экологическую ситуацию в России.

Солнечные тепловые системы достаточно дорогие, поэтому в настоящее время ставится задача в получении низкопотенциального тепла, которое применяют для теплообеспечения зданий или различных технологических процессов.

Системы теплоснабжения различают по ряду основных признаков [2]:

• назначение – отопление (60°C – 100°C), горячее водоснабжение (50°C), охлаждение;

• период работы – сезонные, круглогодичные;

• степень охвата потребителей – индивидуальные, групповые, централизованные;

• период аккумулирования энергии – без аккумуляции, краткосрочное аккумулирование (1-2 сут.), долгосрочное аккумулирование (сезонное);

• характер движение теплоносителя – без циркуляции, с циркуляцией;

• число контуров- одноконтурные, многоконтурные;

• наличие дублирующего источника энергии.

В России наиболее широкое распространение получают системы горячего водоснабжения объектов сезонного функционирования (базы отдыха и туризма, пансионаты и т.д.), а также индивидуальные жилые дома и садовые товарищества. Чаще всего применяются одноконтурные установки (вода, нагретая в солнечном коллекторе, поступает непосредственно к потребителю через бак-аккумулятор) (рис. 1) с естественной циркуляцией теплоносителя.

Рис. 1. Одноконтурная система солнечного водонагревателя с естественной циркуляцией [3]. 1-солнечный коллектор; 2-бак аккумулятор; 3- горячая вода; 4- холодная вода из водопроводной сети.

Отличительной особенностью системы является простота её конструкции. Совершенствование таких систем идет в первую очередь по пути создания высокоэффективных солнечных коллекторов, отличающихся малой стоимостью и высокими теплотехническими показателями.

Коллектор имеет одну основную деталь: поглотитель тепла. Он может быть, как поверхностным, так и объемным. Тепло отводится от поглотителя, либо аккумулируется в нем. Коллекторы первого типа называются проточными, второго – с тепловым аккумулятором.

По виду теплоносителя коллекторы делятся на жидкостные и воздушные; по достигаемой температуре – низкотемпературные (до 100°C), среднетемпературные (до 200°C) и высокотемпературные (до 3500°C).

Температура нагрева теплоносителя прямо пропорциональна интенсивности падающей на накопитель солнечной энергии и обратно пропорциональна тепловым потерям в окружающую среду. Потери уменьшают, используя светопрозрачные покрытия и тепловую изоляцию для поглотителя в вакуумированные стеклянные трубки. Однако и при таких решениях не удается нагреть теплоноситель до температуры более 150 °C. Ещё одним существенным недостатком является то, что максимальная температура достигается только после полудня. Для увеличения интенсивности поступающей солнечной энергии применяют концентраторы. Коллекторы без концентраторов называют плоскими.

Простейшие плоский коллектор с аккумулированием тепла представляет собой емкость, заполненную водой и закрытую стеклом. При благоприятных условиях такой коллектор может нагревать воду до 50°C. У такого коллектора в основе лежит поверхностный поглотитель и система может быть выполнена как с трубками, так и с открытым потоком теплоносителя (рис 2).

Рис. 2. Плоский солнечный коллектор.

1- корпус; 2- стекло; 3- каналы с теплоносителем; 4- поглощающая панель; 5- теплоизоляция.

Главный недостаток коллекторов открытого типа - это высокие тепловые потери между теплоносителем и остеклением. Чтобы сократить теплопотери, в качестве теплопоглотителя, используют каналы в виде трубок (рис 3). Они могут быть сделаны из металла (алюминий, сталь, медь и т.д.), различных пластмасс и других теплопроводящих материалов.

Рис 3. Типы поглотителей плоских проточных коллекторов [2]

Для таких конструкций особо важное значение имеет теплопроводность соединений. Так для надежно припаянных труб она составляет 1,5 – 1,7 кВт/(м²*град), а для плохо закрепленных 6 – 10 Вт/(м²*град).

В качестве материала поглощающей панели применяют полисульфон, полипропилен, полиолефин, этиленпропиленовый мономер. Для изготовления корпуса используют поликарбонат и полипропилен. Для улучшения теплоизоляции можно применить плиты из пенополиизоляциануратов, что позволит создать прочный и легкий корпус.

Эффективность солнечного коллектора можно увеличить, используя селективные покрытия. Селективные покрытия для лучепоглощающей поверхности солнечного коллектора должны обладать высоким коэффициентом поглощения α коротковолнового солнечного излучения (короче 2 мкм), низкой излучательной способностью ε в инфракрасной области (длиннее 2 мкм), стабильной величиной степени селективности α/ε, способностью выдерживать кратковременный перегрев поверхности, хорошей коррозионной стойкостью, быть совместимыми с материалом основы, иметь низкую стоимость. Оптические свойства также сильно зависят от способа нанесения и равномерности пленки покрытия. Для идеальной селективно-поглощающей поверхности α = 1 и ε = 0. В настоящее время существуют методы, позволяющие получить тонкие пленки с селективными покрытиями, которые затем приклеивают на поверхность коллектора.

Самый распространенный тип селективных покрытий – это тонкие пленки на металлической основе, поглощающие УФ и видимый свет, и пропускающие ИК излучение.

Поверхность	Поглощательная способность для солнечной энергии, α	Излучательная способность для длинноволнового излучения поверхностей, типичных для плоских солнечных коллекторов, ε
«Черный никель»; содержит оксиды и сульфиды Ni и Zn на полированном Ni	0,91…0,94	0,11
«Черный никель» на оцинкованном железе	0,89	0,16…0,18
«Черный никель» 2 слоя поверх гальванопокрытия из Ni на мягкой стали (α и ε после 6-часового погружения в кипящую воду)	0,94	0,07
CuO на Ni; медь в качестве электрода с последующим окислением	0,81	0,17
Co3O4 на серебре; методом осаждения и окисления	0,90	0,27
CuO на Al; методом набрызгивания разбавленного раствора Cu(NO3)2 на горячую алюминиевую пластину с последующей горячей сушкой	0,93	0,11
«Черная медь» на Cu; методом обработки Cu раствором NaOH и NaClO2	0,89	0,17
«Эбанол С» на Cu; промышленная обработка чернением Cu, обеспечивающая покрытия в основном на CuO	0,90	0,16
CuO на анодированном Al; обработка Al горячим раствором Cu(NO3)2–KMnO4	0,85	0,11
Горячая сушка Al2O3–Mo–Al2O3Mo–Al2O3Mo–Al2O3; промежуточные слои на Mo (ε измеряется при 260 °C)	0,91	0,085
Кристаллы PbS на Al	0,89	0,20

Табл. 2. Сравнительная характеристика селективных покрытий.

Солнечные коллекторы применяются для различных целей. Для отопления здания требуются температуры от 60 °C до 100 °C в отопительном контуре, соответственно температура в коллекторе будет выше. Эффективность плоского коллектора при этом значительно снижается, тем самым такая установка не способна обеспечить здание теплом, особенно в холодное время года. При нагреве выше 60 °C у коллектора увеличиваются теплопотери с его тепловоспринимающей поверхности. Эту проблему можно исправить, используя на тепловоспринимающей поверхности селективные покрытия, где коэффициент поглощения α> 0,9, а коэффициент излучения ε 20. Так по всем критериям самые подходящие составы покрытий являются «черный никель» и «черный хром». В целом «черный никель», который обычно высаживается из серного электролита с добавлением цинка, является более эффективным материалом из-за лучших оптических характеристик, но при высоком нагреве состав деградирует, что делает его непригодным для реальной эксплуатации. Но, если использовать хлористый электролит, не содержащего солей цинка, то этого недостатка можно избежать. Покрытие, нанесенное таким способом, способно выдержать 200 °C. [4]

Материал подложки	α	ε
Медь	0,94…0,96	0,1…0,12
Латунь	0,94…0,95	0,08…0,1
Нержавеющая сталь	0,93…0,95	0,12…0,15
Низколегированная сталь	0,93…0,95	0,15…0,19
Алюминий	0,93…0,95	0,12…0,14
Металлизированное стекло	0,9…0,92	0,11…0,13

Табл. 3. Оптические характеристики покрытия «черный никель» [4]

Теплопотери можно уменьшить, используя низкоэмиссионное стекло. Стекло, покрытое двуокисью олова, почти полностью отражает длинноволновое излучение, тем самым значительно сокращает тепловые потери коллектора. [2]

Для увеличения интенсивности нагрева устанавливается концентратор – оптическое устройство, увеличивающее плотность поступающего теплового потока. Основным отличительным параметром таких устройств считается степень концентрации. Концентраторы, как правило, делятся на два типа: рефлекторные и рефракторные.

К рефлекторным относятся концентраторы с плоскими или парабоцилиндрическими отражателями (фоклины) (рис.4). Степень концентрации таких типов составляет примерно 1,5.

Рис.4. а) плоский отражатель; б) параболоцилиндрический отражатель

1. стекло; 2- отражающая поверхность; 3- трубки; 4- теплоизоляция. [5]

К рефракторным относятся линзы Френеля и призмы (рис.5). Недостатком линз Френеля является большое фокусное расстояние, что приводит к увеличению размеров коллектора, чего нельзя сказать о призмах. Призменные концентраторы представляют собой трехгранную призму, у которой передняя грань принимает излучение, задняя отражает, а боковая обеспечивает выход излучения.

Рис.5. а) линза Френеля; б) призма. [5]

Коэффициент концентрации фоклинов определяется через отношение ширины большого диаметра D к малому d:

k = D/d = 1/sinα

где α – угол раскрытия

Зная коэффициент концентрации фоклина можно найти параметры высоты фоклина.

Для плоского:

Для параболоцилиндрического:

Параболоцилиндрические концентраторы более сложны в изготовлении, но по сравнению с плоскими у них в среднем выше излучение теплового потока.

Концентрирующие коллекторы используют прямое солнечное излучение, что делает их менее эффективными, по сравнению с плоскими. Но этот фактор может исправить применение систем слежения за солнцем. [5]

Основной характеристикой определяющей эффективность коллектора, является КПД:

η_{с =} (1)

где – удельная теплопроизводительность коллектора солнечной энергии, Вт/м2;

– плотность суммарного потока солнечной радиации, поступающей на поверхность коллектора солнечной энергии, Вт/м2;

– удельный массовый расход теплоносителя в коллекторе солнечной энергии, кг/(м2∙с);

– удельная изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг∙К);

– температура теплоносителя на выходе из коллектора солнечной энергии, ºС;

– температура теплоносителя на входе в коллектор солнечной энергии, ºС.

Для повышения эффективности можно использовать сотовые структуры из стекла или пластмассы в зазорах между остеклением и поглощающей панелью. Сотовые структуры могут иметь различную форму: круг, прямоугольник или шестиугольник. В работе [6] приведены результаты расчетов КПД коллекторов различных типов (рис.6)

Рис. 6. Сравнение КПД коллекторов различного типа. [2,6]

a – селективная поглощающая поверхность (α = 0,96, ε = 0,16) и вакуум; b – сотовая структура из стекла; с – сотовая структура из поликарбоната; d – селективная поглощающая поверхность; e – вакуум; f – плоский коллектор.

Из рисунка 6 видно, что у коллекторов с сотовыми структурами КПД выше, чем у плоских, но ниже, чем у вакуумных с селективным покрытием.

Наибольшей эффективности солнечного коллектора можно добиться, применяя селективные поглощающие покрытия и вакуума в пространстве, содержащем теплоноситель. При вакуумированнии внутреннего пространства до давления P

Код для цитирования: Скопировать