Тепловые стационарные устройства

 

Солнечная энергия используется для отопления жилых помещений, для подогрева и опреснения воды, регулирования микроклимата. В системах, предназначенных для выполнения данных функций (тепловых стационарных устройствах), используются так называемые солнечные коллекторы, имеющие в своем составе плоские или трубчатые теплообменники, в которых циркулирует жидкий теплоноситель. Солнечный коллектор с трубчатым теплообменником может иметь следующую конструкцию (рис. 50):

 

Рис.50. Солнечный коллектор с трубчатым теплообменником

 

В черном ящике под двойным стеклом располагаются трубы, по которым циркулирует теплоноситель; нагрев его возможен до 60-80 ⁰С. Один квадратный метр такого нагревателя дает до 70 л горячей воды в день. Экономия – до 700 кг угля в год.

Широкое распространение получили коллекторы с плоскими теплообменниками (рис. 51).

 

 

Стекло Поглощающее

покрытие

 

Тепловая изоляция

 

 

Рис.51. Солнечный коллектор с плоскими теплообменниками

 

Эффективность системы зависит от качества зачернения поверхности теплообменника. В настоящее время используют специальные покрытия, эффективно поглощающие солнечное излучение и позволяющие подогревать теплоноситель до 100 ⁰С. При наличии вакуумной изоляции достигается температура теплоносителя выше 150 ⁰С.

В Швеции солнечные нагреватели площадью 30000 м² используются для нагревания воды, которая летом закачивается в подземную пещеру и хранится там для использования зимой в системах отопления 550 жилых домов. Потери тепла в процессе хранения в первый год составили 70%, через 10 лет, после нагрева пород, потери не более 28%. Объем используемой воды около 100000 м³.

В России, в районах Нечерноземья, среднее значение суммарной солнечной радиации, поступающей за сутки на 20 м² горизонтальной поверхности, составляет 200-240 Дж. Этого достаточно для отопления дома с полезной площадью 60 м². Однако здесь более уместно пока говорить о сезонной эксплуатации солнечной энергии.

Опыт показывает, что для условий сезонной эксплуатации в средней полосе России наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения, при которой в солнечном коллекторе нагревается воздух (теплоноситель), и затем этот воздух по воздуховодам подается в помещение. Предусматривается 3 режима работы системы:

1 – отопление от коллектора;

2 – аккумулирование тепловой энергии;

3 – отопление от аккумулятора.

В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается в помещение и циркулирует в нем в результате естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух из коллектора с помощью вентилятора прокачивается через тепловой аккумулятор – слой гравия – и заряжает его. Для ночного отопления и при пасмурной погоде воздух из помещения прогоняется через тепловой аккумулятор и возвращается в комнаты уже подогретым.

Понятно, что такая гелиосистема лишь частично обеспечивает потребность в отоплении, но, тем не менее, сезонная экономия топлива за счет комплексного использования энергии может достигать 50%.

Важной проблемой для отдельных регионов планеты является производство питьевой воды. При этом для большинства из них особенно перспективно в этих целях использование солнечной энергии.

Простейшей оросительной системой является резервуар с водой, помещенный в теплоизолированную емкость с наклонной стеклянной крышей (рис.52).

Резервуар выполнен в виде теплоизолированного и зачерненного изнутри сосуда, дно которого заливается соленой водой или водой, требующей очистки. Солнечные лучи, проходя через стеклянную поверхность, поглощаются зачерненными поверхностями сосуда. В результате происходит нагрев воды и ее испарение. Водяные пары конденсируются на прозрачной крыше емкости, имеющей температуру, близкую к температуре наружной среды.

Солнечные опреснители широко применяются в районах, где особенно ощущается дефицит в пресной воде при достаточных запасах засоленных вод.

Необходимо отметить, что, несмотря на техническую простоту данных систем, стоимость опреснения в них пока примерно в 5 раз дороже, чем опреснение традиционными методами.

 

Солнечная печь

 

Сильная концентрация солнечного излучения в фокусе большого параболического зеркала позволяет получить очень высокие (до 3800 ⁰С) температуры, трудно достижимые другими способами. Этот способ используется для плавления тугоплавких веществ, вплоть до вольфрама и углерода, в солнечных печах (рис. 53).

Данные устройства не только экологически чистые, но и не загрязняют посторонними примесями находящиеся в них вещества.

7

 

55 5

6

 

 

2 3 1 8 4

 

Рис.52. Солнечный опреснитель

1 – исходная вода; 2 – выход опресненной воды; 3 – вход исходной воды;

4 – выпуск воды с повышенным содержанием соли или примесей; 5 – пар;

6 – пленка конденсата; 7 – стеклянная крышка; 8 – тепловая изоляция.

 

 

 

Гелиостаты

 

Фокальная зона

Концен-

тратор

 

Рис.53. Солнечная печь с горизонтальными параболическими

концентраторами

 

Наиболее мощные солнечные печи установлены в Армении (до 3000 ⁰С) и во Франции (до 3800 ⁰С).

 

Солнечные тепловые электростанции с паровым циклом

Солнечные тепловые электростанции (СТЭС) с паровым циклом работают как обычные тепловые электростанции; нагрев воды до 250-400 ⁰С производится в солнечном котле, кото-

 

рый устанавливается на башне высотой 70-120 м (рис. 54).

 

 

Башня

Градирня

Тепловой аккумулятор

Парогенератор

Турбогенератор

 

Гелио-

статы

 

 

Рис.54. Гелиостатная электростанция с паровым циклом

и тепловым аккумулятором

 

На котел направляются солнечные лучи, отраженные от нескольких тысяч зеркал-гелио-статов площадью 25-40 м² каждое. Положение гелиостатов относительно Солнца поддерживается оптимальным с помощью ЭВМ.

В ряде случаев в качестве теплоносителя используют не воду, а расплав солей. Это удобнее, т.к. расплавленные соли не создают высокого давления, как пар при высокой температуре.

СТЭС оборудуются тепловыми аккумуляторами, чтобы они могли работать в ночное время. По этой причине тепловая мощность солнечного котла должна быть в 2-3 раза больше тепловой мощности турбины.

Подобные системы эксплуатируются в странах СНГ, в США, Франции.

 

Гелиоаэродинамическая (парниковая) солнечная электростанция

В гелиоаэродинамических СЭС энергию вырабатывает электрогенератор с вертикальной воздушной турбиной, расположенной в основании трубы-башни высотой до 200 м (рис. 55).

Для вращения лопастей турбины используется поток горячего воздуха, который нагревается в расположенном вокруг трубы парнике.

Подобная установка мощностью 100 кВт сооружена во Франции. Помимо выработки электроэнергии парниковая СЭС может использоваться для «продувки» загазованных автотранспортом кварталов больших городов.