Тонкопленочные модули из аморфного кремния. Классический тонкопленочный модуль производится на базе аморфного кремния. У аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния, и он может быть нанесен практически на любую поверхность - стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем - около 6%. Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна, но постоянно растет.

Модули с поликристаллическими ленточными элементами. При производстве ленточных ФЭП кристаллы кремния не разрезаются проволочными пилами, а плавятся специальными струнами (технология Evergreen Solar). Либо применяются специальные способы выращивания кристаллов (Edge defined film-fed growth компании Schott Solar). КПД таких модулей ниже, чем обычных кристаллических модулей (не более 11,6%).

Тонкопленочные CdTe модули. 2 компании производят CdTe модули серийно. Это немецкая компания Antec Solar и First Solar LLC из США. Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 9%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке, и производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули. В 2005 году было произведено 29 МВт таких модулей, что составило 1,6% от общего производства фотоэлектрических модулей в мире.

HIT элементы от Sanyo. Hetero Junction with Intrinsic Thin Layer (гетеропереходы с внутренним тонким слоем) элементы от Sanyo имеют рекордную эффективность. КПД достигает 16,8 % в серийных модулях. N-легированная монокристаллическая пластина покрыта тончайшим слоем нелегированного аморфного кремния с 2-х сторон (intrinsic layer). Снаружи элемент покрыт p-легированным слоем аморфного кремния, а с задней стороны - n-легированным слоем аморфного кремния. Максимальная мощность модулей HIT составляет 270 Вт.

CIS модули. Основные ингредиенты CIS модулей - медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 11% в модуле). Несколько компаний уже заявили о готовящемся в этом или следующем году серийном выпуске CIS модулей с общей мощностью до 62 МВт. В 2005 году, однако, было выпущено 3,5 МВт таких модулей, что составляло 0,2% от общего производства фотоэлектрических модулей.

Глава 2. «Системы солнечного теплоснабжения»

2.1 Классификация и основные элементы гелиосистем

Системами солнечного отопления называются системы, использующие в качестве теплоисточника энергию солнечной радиации. 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.[10]

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 (рис. 2.1.), кровля-коллектор и т. п..[11]

Рис. 2.1. Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления «стена-коллектор»:

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; 8 - жалюзи.

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).

Теплоносители

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.

Виды тепловых гелиосистем

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 (например, летняя дача).

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 (дублер) в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты. Как правило, в таких системах тепловой насос можно использовать и для кондиционирования воздуха летом.

Элементы активных гелиосистем

Основными элементами активной солнечной системы являются: гелиоприемник, аккумулятор теплоты, дополнительный источник или трансформатор теплоты (тепловой насос), потребитель (системы отопления и горячего водоснабжения зданий). Выбор и компоновка элементов в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

Пример принципиальной схемы системы солнечного теплоснабжения здания приведен на рис.2.2. Имеется три контура циркуляции два жидкостных и один воздушный.

· 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.

Рис. 2.2. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения:

1 -солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор; 3 - теплообменник; 4 - здание; 5 - калорифер; 6 - дублер системы отопления; 7 - дублер системы горячего водоснабжения; 8 - циркуляционный насос; 9 - вентилятор.

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. Антифриз необходим из-за возможного замерзания коллектора ночью в зимнее время. Можно также сливать воду из коллекторов в ночное время. 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 является довольно сложной задачей и определяются климатическими факторами, назначением, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

2.2 Типы солнцеприемников активных систем отопления

Концентрирующие гелиоприемники

Конструкции концентрирующих гелиоприемников представлены на рисунке 2.3.

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 (рис. 2.3.,а). Параболоцилиндрические концентраторы наводятся только в одной плоскости, и поэтому более распространены[12].

Рис.2.3. Конструкции концентрирующих гелиоприемников:

а - параболический концентратор; б - параболоцилиндрический концентратор;

1 - солнечные лучи; 2 - тепловоспринимающий элемент (солнечный коллектор); 3 - зеркало; 4 - механизм привода системы слежения; 5 - трубопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель.

На рис. 2.4. представлена принципиальная схема жидкостной комбинированной двухконтурной системы солнечного отопления с параболоцилиндрическим концентратором и жидкостным теплоаккумулятором. В контуре гелиоприемника в качестве теплоносителя применен антифриз, а в контуре системы отопления - вода.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; потребность в аккумуляторах относительно большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца.

Рис. 2.4. Жидкостная комбинированная двухконтурная система солнечного отопления с параболоцилиндрическим концентратором и жидкостным аккумулятором:

1 - параболоцилиндрический концентратор; 2 - жидкостный теплоаккумулятор; 3 - дополнительный теплоисточник; 4 - термометр; 5 - контур системы отопления; 6 - регулирующий вентиль; 7 - циркуляционный насос.

Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. Наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники (коллекторы).

Область применения концентрирующих гелиоприемников - нагрев технологической воды в промышленности.

Солнечные коллекторы

Плоские солнечные коллекторы (рис. 2.5.) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели черного цвета, тепловой 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 меди, алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (из листа).

Рис. 2.5. Плоский солнечный коллектор:

1 - солнечные лучи; 2 - остекление; 3 - корпус; 4 - тепловоспринимающая поверхность; 5 - теплоизоляция; 6 - уплотнитель; 7 - собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины[14].

Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80°С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности и возможности расплавления не находят широкого применения.

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 на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи, но обеспечивают более высокий К.П.Д. коллектора.

Другим способом улучшения характеристик неконцентрирующих селективных коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (трубчатые солнечные коллекторы вакуумного типа). Устройство вакуумной теплоизоляции удорожает и утяжеляет конструкцию гелиоприемника, однако вакуумные коллекторы дают более высокие температуры, имеют высокий К.П.Д. и хорошо работают в зимнее время.

На рис. 2.6. представлена более сложная схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с солнечными коллекторами, в которой предусмотрен автоматический дренаж коллекторов при прекращении воздействия солнечной радиации.

Рис. 2.6. Схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с плоскими коллекторами и их автоматическим дренажем при прекращении циркуляции:

1 - солнечные плоские коллекторы; 2 - расширительный бак; 3 - дополнительный теплоисточник; 4 - теплообменник; 5 - отопительные приборы; 6, 8 - циркуляционные насосы; 7 - бак-теплоаккумулятор.

Недостатки солнечных систем с плоскими коллекторами.

Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд недостатков подобных систем.

Прежде всего, это довольно высокая стоимость хороших коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования приводит к повышению цены.

Существенным недостатком является необходимость очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллекторов в промышленных районах.

При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя за счет нарушения целостности остекления из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла.

Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже.

Самым значительным недостатком работы любых систем с солнечными коллекторами является также неравномерность генерации тепла в течение года и суток, вынуждающая применять аккумуляторы тепла большого объема и стоимости

Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы 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 средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м2).

Для использования в средних широтах более перспективны солнечные системы с тепловыми насосами. Пример такой системы показан на рисунке 2.7.

Рис 2.7. Жидкостная двухконтурная комбинированная система солнечного отопления с плоскими коллекторами, тепловым насосом и двумя жидкостными теплоаккумуляторами:

1 - солнечные коллекторы; 2 - воздухосборник; 3 - низкотемпературный жидкостный теплоаккумулятор; 4 - испаритель теплового насоса; 5 - компрессор; 6 - дроссельный вентиль; 7 - высокотемпературный жидкостной теплоаккумулятор; 8 - конденсатор теплового насоса; 9 - дополнительный теплоисточник; 10 - вентиль; 11 - датчик температуры; 12 - отопительные приборы; 13 -циркуляционный насос.

2.3 Конструкции солнечных коллекторов

Солнечные абсорберы

Солнечные абсорберы - низкотемпературные коллекторы.

Они состоят из тепловоспринимающей панели с каналами, по которым циркулирует теплоноситель (рис. 2.8.). Тепловоспринимающая панель не изолируется остеклением и теплоизоляцией с обратной стороны. В связи с этим отпадает необходимость в корпусе, что значительно снижает стоимость данной конструкции по сравнению с солнечными коллекторами. Теплоноситель подается с постоянной температурой на 3-5 °С ниже температуры окружающего воздуха. За счет этого возможно полезное использование не только прямой и рассеянной солнечной радиации, но и теплоты атмосферы. Возможна также утилизация части теплопотерь дома через ограждающие конструкции при совмещении с ними абсорбера. Наибольшее распространение такие конструкции получили для сезонного подогрева воды в бассейнах, их высокий К.П.Д. возможен только при очень малом перепаде температур и принудительной циркуляции воды.

Солнечные абсорберы фактически не имеют потерь тепла. Лишь 5-10% падающей на их поверхность солнечной радиации отражается от нее в зависимости от цвета и качества покрытия. Собственное тепловое излучение абсорбера на небосвод и окружающие поверхности также или отсутствует, или абсорбер сам воспринимает длинноволновое излучение небосвода и окружающих поверхностей. Абсорберы не требуют очистки от пыли, так как она увеличивает коэффициент поглощения солнечной радиации.

К устройству солнечных абсорберов предъявляются следующие требования: высокие поглотительные свойства поверхности за счет ее структуры, цвета, ориентации, высокие теплопроводность, долговечность, низкая стоимость. Поэтому их часто выполняют из фанеры или пластика, а также работающими без избыточного давления теплоносителя. Самые простые конструкции - наклонные поверхности по которым свободно стекает подогреваемая вода. Даже потери на испарение воды мало влияют на их эффективность.

Основной недостаток солнечных абсорберов - необходимость поддержания постоянно низкого температурного уровня теплоносителя, из-за чего невозможно его использование для отопления и горячего водоснабжения.



Рис 2.8. Солнечный абсорбер с трубами прямоугольного сечения:

1 - теплопоглощающий лист; 2 - сварной трубный регистр из труб прямоугольного сечения; 3 - присоединительные штуцеры; 4 - крепежные болты; 5 - скобы прямоугольного сечения; 6 - пластины.

Конструкции плоских коллекторов

Рис.2.9. Схемы абсорберов плоских жидкостных коллекторов:

а-труба в листе;б-соединение гафрированного и плоского листов;в- штампованный абсорбер;г-лист с приваренными прямоугольными каналами.

В качестве поглотителя солнечного излучения в коллекторе типа труба в листе (рис. 2.9., а) для жидкого теплоносителя используется ряд параллельных труб диаметром 12-15 мм, припаянных или приваренных сверху, снизу или в одной плоскости к металлическому листу и расположенных на расстоянии 50-150 мм друг от друга. Верхние и нижние концы этих труб присоединяются путем пайки или сварки к гидравлическим коллекторам. с ребрами (рис. 11,б) или гофрированного (рис. 2.9,в), из стеклянных пластин, наполовину зачерненных и наполовину прозрачных (рис.2.9.,г). В плоском КСЭ площадь «окна», через которое солнечная энергия попадает внутрь коллектора, равна площади лучепоглощающей поверхности, и поэтому плотность потока солнечной радиации не увеличивается. При использовании концентраторов,т.е.оптических устройств типа зеркал или линз, достигается повышение плотности потока солнечной энергии. Это имеет место в фокусирующих коллекторах солнечной энергии, требующих специального механизма для слежения за Солнцем. Зеркала - плоские, параболоидные или параболоцилиндрические - изготовляют из тонкого металлического листа,фольги или других материалов с высокой отражательной способностью.

Рис. 2.10. Концентраторы солнечной энергии:

а- параболоцилиндрический концентратор; б-фоклии; в-параболойдный концентратор; г-линза Фрекеля; д-поле гелиостатов с центральным приемником излучения: 1-отражатель, 2-приемник излучения.

Конструкции вакуумных коллекторов

Кроме описанных двух основных типов КСЭ - плоских и фокусирующих коллекторов - разработаны и используются стеклянные трубчатые вакуумированные коллекторы, представляющие собой комбинацию КСЭ и аккумулятора теплоты.

Возможны различные варианты конструктивного выполнения вакуумированных коллекторов. Некоторые из них показаны на рис.2.11. (в разрезе). Внутри стеклянной оболочки из высококачественного боросиликатного стекла диаметром 100--150 мм помещаются трубка для теплоносителя, лучепоглощающая поверхность, отражатель. Трубка может иметь U-образную форму (рис.2.11.а и в) или представляет собой тепловую трубу (рис.2.11.б и г). Внутреннее пространство оболочки вакуумировано. Отражатель может быть выполнен в виде фоклина (рис.2.11,в), может составлять часть оболочки (рис.2.11.,г) или находиться в виде полос на боковых стенках вакуумированных труб, используемых в качестве прозрачной изоляции (рис.2.11.,д). В конструкции, показанной на рис.2.11.,д, лучепоглощающая поверхность расположена под вакуумированными трубами и надежно соединена с трубками для нагреваемой жидкости, помещенными в теплоизоляцию. Обычно модуль коллектора включает ряд (до 10) стеклянных вакуумированных труб, присоединенных к общей трубе, по которой движется нагреваемая жидкость. Как правило, модуль помещается в теплоизолированный корпус. В конструктивном отношении слабым местом является узел соединений стеклянных и металлических деталей, имеющих различные коэффициенты линейного расширения при нагревании.

Итак, для повышения эффективности вакуумированных коллекторов используются селективные покрытия, отражатели и т. д. На внутреннюю поверхность верхней части стеклянной оболочки наносят покрытие, например из диоксида индия, обладающее хорошей отражательной способностью для теплового (инфракрасного) излучения и не влияющее на коэффициент пропускания.



Рис.2.12.. Поперечное сечение вакуумированных стеклянных трубчатых коллекторов

1 - стеклянная оболочка; 2 - трубка для нагреваемой жидкости; 3 - лучепоглощающая поверхность; 4 - отражатель; 5 - теплоизоляция

Глава 3. «Тепловое аккумулирование энергии»

3.1 Энергетический баланс теплового аккумулятора

Тепловое аккумулирование - это физические или химические процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ).

Аккумулятор состоит из резервуара для хранения (обычно теплоизолированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования.

Аккумулирующая система характеризуется способами, которыми энергия для зарядки аккумулятора отбирается от источника, трансформируется (при необходимости) в требуемый вид энергии и отдается потребителю.

На рис. 3.1. показан процесс теплового аккумулирование с использованием сосуда-аккумулятора. Баланс энергии для этого процесса в общем виде можно записать

Eвх ? Eвых = Eак,

где Eвх - подведенная энергия,

Eвых - отведенная энергия,

Eак - аккумулированная энергия.



Рис 3.1.Энергетический баланс аккумулятора.

Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме:

где mак - масса аккумулирующей среды;

u - внутренняя энергия (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня);

p - давление;

v - удельный объем;

g - ускорение силы тяжести;

H - высота (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня);

gH - удельная потенциальная энергия;

c- скорость течения;

c2 удельная кинетическая энергия;

dQ - тепло, подведенное к системе;

dW - работа системы, не зависящая от переноса массы (например, при движении стенок системы, электрическая энергия, энергия вала двигателя).

Исследование общего уравнения показывает, что аккумулирование энергии может осуществляться в результате изменения:

а) удельной внутренней энергии;

б) удельной потенциальной энергии;

в) удельной кинетической энергии;

г) массы системы.

К тепловому аккумулированию энергии обычно относят случай (а), а также случай (б), если удельная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды.

Если накопление и кинетической, и потенциальной энергии исключено и если, кроме того, члены уравнения, соответствующие кинетической и потенциальной энергиям подводимой и отводимой масс, пренебрежимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если

где Vак - объем аккумулятора;

pак - давление в аккумуляторе,

то уравнение преобразуется к виду, справедливому для аккумулятора тепла:

h = u + pv,

и, следовательно, энергетический баланс принимает вид:

Соответственно баланс массы запишется как:

Процессы зарядки и разрядки описываются в общем виде уравнениями, а в простых случаях возможно аналитическое решение. В других, более сложных случаях могут быть получены численные решения (в особенности это относится к процессу разрядки).

3.2 Классификация аккумуляторов тепла

В соответствии с принятыми выше определениями и выводами можно провести классификацию аккумуляторов тепла.[15]

Аккумулирующая и теплообменная среды.

Прямое аккумулирование: аккумулирующей и теплообменной является одна и та же среда. Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двухфазной (жидкость плюс газ).

Косвенное аккумулирование: энергия аккумулируется только посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) либо в результате массообмена специальной теплообменной среды в жидком, двухфазном или газообразном состоянии). Собственно аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой или газообразной (процесс может протекать без фазового перехода, с фазовым переходом твердое тело - твердое тело, твердое тело - жидкость или жидкость - пар).Здесь теплообменная среда мало участвует в аккумуляции.

Полупрямое аккумулирование: процесс протекает как в предыдущем случае , за исключением того, что аккумулирующая емкость теплообменной среды играет более важную роль.

Сорбционное аккумулирование: в этом случае используется способность некоторых аккумулирующих сред абсорбировать газы с выделением тепла (и поглощением тепла при десорбции газа). Передача энергии может происходить непосредственно в форме тепла или с помощью газа

Масса аккумулирующей среды.

Постоянная масса. Обычно это случай косвенного аккумулирования. Однако может иметь место и прямое аккумулирование, если перемещаемая часть массы после охлаждения (при разрядке) или нагрева (при зарядке) полностью возвращается в аккумулятор ( вытеснительное аккумулирование).

На практике не применяются конструктивно сложные виды аккумуляторов, такие или пневматические, с тепловыми насосами и другие.

Наиболее приемлемы системы прямого и полупрямого аккумулирования в активных системах и косвенного в пассивных системах отопления.

3.3 Системы аккумулирования тепловой энергии

Для выполнения своих функций аккумулирующая система должна иметь помимо аккумулирующих сосудов и их внутренних устройств также и внешнее оборудование. При тепловом аккумулировании для зарядки и разрядки могут понадобиться насосы, теплообменники, испарители, клапаны, трубопроводы.

Основные типы аккумуляторов:

· Баки - аккумуляторы.

· Солнечные бассейны.

· С фазовым переходом

· Гравийные и водо-воздушные

· Монолитные стены.

Типичная схема активной системы теплоснабжения с тепловым аккумулированием энергии для получения горячей воды (рис. 3.2.) включает первичный контур на антифризе, теплообменник в нижней части аккумулирующего бака и дополнительный нагреватель в верхней его части. Так как эффективность солнечного коллектора снижается с увеличением разности температур первичного контура и окружающей среды, температуру первичного контура следует поддерживать на возможно более низком уровне. Для этого следует обеспечить небольшой перепад температур в теплообменнике, воспрепятствовать перемешиванию в баке и обеспечить подвод тепла только в самую холодную часть бака.[15]

Рис.3.2.Схема получения горячей воды для бытовых нужд с использованием солнечной энергии:

1 - солнечные коллекторы; 2 - первичный цикл (антифриз); 3 - циркуляционный насос; 4 - аккумулирующий бак; 5 - солнечный теплообменник; 6 - подача холодной воды; 7 - дополнительный нагреватель; 8 - линия подачи.

Баки - аккумуляторы

Выбор соотношения между размерами солнечного коллектора и бака-аккумулятора для кратковременного (горячая бытовая вода) и долговременного (обогрев) аккумулирования - интересная оптимизационная задача. Общий оптимум получается, когда оптимальны характеристики, как коллектора, так и аккумулятора. Удельные емкости аккумуляторов для кратковременного аккумулирования обычно составляют 50-100 кг воды на 1 м2 площади коллектора, а для долговременного аккумулирования в климатических условиях.

Центральной Европы необходимы значения удельной емкости 1000 кг/м2.

Солнечный бассейн, где коллектор и аккумулятор совмещены, является частным случаем аккумулирования с использованием горячего теплоносителя. Солнечная радиация поглощается донной поверхностью бассейна. В теплоносителе создается и поддерживается градиент концентрации соли (концентрация увеличивается с глубиной) между верхним конвективным слоем (под действием ветра) и нижним конвективным слоем (в результате отвода тепла). Благодаря этому конвекция и связанный с ней теплоотвод к поверхности подавляются, и слой толщиной ~ 1 м, в котором нет конвекции, служит тепловой изоляцией.

Таким способом можно достичь температуры воды 100°С, а 90°С является обычным расчетным значением в зонах с жарким климатом.



Рис.3.3. Схема солнечного бассейна с градиентом концентрации соли:

1 -поверхностный слой воды; 2 - поверхность земли; 3 - выход горячего соляного раствора к потребителю тепла или к теплообменнику; 4 - конвективная (аккумулирующая) область; 5 -возврат холодного соляного раствора; 6 - неконвективный (изолирующий) слой.

Аккумуляторы с фазовым переходом.

Были предложены и разработаны системы аккумулирования на основе использования теплоты фазового перехода для зарядки и разрядки воздухом (рис. 3.4.) или водой (рис 3.5.).

На рис. 3.4. показан вариант теплообменника с оребренными кольцевыми каналами с раздельными контурами зарядной и разрядной сред. Таким образом, теплообменник позволяет проводить одновременно зарядку и разрядку. Каждый теплообменный элемент состоит из внутренней и наружной трубок, тепловой контакт между которыми обеспечивается продольными ребрами из материала с хорошей теплопроводностью (например, алюминия). Кольцевое пространство между ребрами заполнено материалом, аккумулирующим энергию фазового перехода (равную теплоте плавления). В этом варианте система теплового аккумулирования работает как гибридный аккумулятор, в котором используются теплота фазового перехода и теплота нагрева рабочего тела.

Рис.3.4. Блок энергоаккумулирующих стержней с 2400 кг СаСl2·6H2O (Tф=27,2°С) в полиэтиленовых цилиндрах для отопления квартиры.

Рис.3.5.Агрегат CALMAC для аккумулирования теплоты фазового перехода на Na2S2O3-5H2O или MgCl2-6H2O:

1 - съемная крышка; 2 - двигатель для перемешивания; 3 - вход воды; 4 - гидрат соли; 5 - пластиковый теплообменник; 6 - бак; 7 - выход воды.

Рис.3.6. Теплообменник с оребренными кольцевыми каналами для аккумулирования энергии с использованием теплоты фазового перехода:

1 - элемент теплообменного блока: 2 - термоаккумулирующее вещество; 3 - продольное ребро; 4 - горячий теплоноситель; 5 - резервуар (кожух); 5 - холодный теплоноситель для разрядки.

Гравийные аккумуляторы

Галечный аккумулятор теплоты (рис. 3.7.). В солнечных воздушных системах теплоснабжения обычно применяются галечные аккумуляторы теплоты, представляющие собой емкости круглого или прямоугольного сечения, содержащие гальку размером 20--50 мм в виде насадки из плотного слоя частиц. Аккумуляторы этого типа обладают рядом достоинств, но по сравнению с водяным аккумулятором в этом случае требуется больший объем. Галечный аккумулятор может располагаться вертикально или горизонтально.

Горячий воздух, поступающий днем из солнечной коллектора в аккумулятор, отдает гальке свою теплоту и таким образом происходит зарядка аккумулятора. При разрядке аккумулятора ночью или в ненастную погоду воздух движется в обратном направлении и отводит теп лоту к потребителю.

При одинаковой энергоемкости объем галечного акккумулятора теплоты в 3 раза больше объема водяного бака-аккумулятора

Рис.3.7.Общий вид галечного аккумулятора:

1-крышка, 2-бункер, 3-бетонный блок, 4-теплоизоляция, 5-сетка, 6-галька

Мнолитные стены используются преимущественно в системах пассивного отопления и рассмотрены ниже.

Глава 4 «Системы пассивного отопления»

4.1 «Солнечный дом»

В использовании Солнца в качестве источника теплоты нет ничего нового. Еще 2400 лет тому назад Сократ писал: «Сейчас в домах с видом на юг солнечные лучи проникают в галереи зимой, а летом путь солнца лежит над нашими головами и выше крыш так, что имеется тень. Если это наилучшее устройство, то мы должны будем строить южный фасад дома более высоким, чтобы в дом поступали лучи зимнего солнца и северный фасад более низким, чтобы защитить дом от зимних ветров».

В то время как Греческий дом, описанный Сократом, терял тепло так же быстро, как и собирал из-за конвективных и радиационных потерь, римляне обнаружили что если портик (галерею) и окна южной ориентации остеклить, то солнечная энергия будет уловлена и можно будет сохранить полученное тепло на ночной период времени. Этот простой феномен получил название «тепличный эффект». Сегодня дом, в котором используется эффект теплицы для отопления, мы называем «пассивным солнечным домом».[16]

Существует общее эмпирическое правило, согласно которому грамотно спроектированный пассивный солнечный дом в сравнении с традиционно спроектированным домом той же площади поможет снизить затраты на отопление на 50-75% при удорожании строительства всего лишь на 25...10%.

Характеристики пассивного солнечного дома

Пассивный солнечный дом имеет некоторые отличительные проектные особенности:

· В северном полушарии значительная часть его окон ориентирована на юг (в южном - на север). Солнечная радиация, главным образом видимая часть солнечного спектра, проникает через ориентированное на солнце остекление окон дома или теплицы и поглощается поверхностями материалов, находящихся внутри теплоизолированной оболочки дома. Поскольку эти нагретые поверхности вторично излучают энергию в интерьер дома, температура воздуха в нем повышается, но теплота не проникает назад через остекление.

· В идеале, внутренние поверхности - материалы высокой плотности: бетон, кирпич, камень, саман. Эти материалы из-за эффекта тепловой инерции (способность поглощать энергию и отдавать ее через какое-то время) могут запасать тепловую энергию для постоянного медленного ее излучения, снижая температурные колебания в здании и вероятность перегрева внутреннего воздуха. Таким образом, значительную часть отопительной нагрузки зданий может нести солнечная энергия.

· В ранних пассивных солнечных зданиях, всячески стремились уменьшить площади восточных, западных и северных окон дома в противовес увеличению площади окон южной ориентации. Это все еще общее эмпирическое правило, но появление теплопоглощающих и теплоотражающих пленок, располагаемых с разных сторон остекления окна, позволило проектировщикам и строителям снизить жесткость требований этого правила. Это хорошая новость для мест, в которых есть красивый вид на окружающую природу не только в южном направлении. Западные окна - источник перегрева в летнее время, и летом должны быть обязательно затенены. Вообще, план дома с удлинением по оси запад-восток и оптимизированным фасадом южной ориентации будет самым лучшим для пассивного солнечного дома.

· Пассивные солнечные дома должны быть хорошо теплоизолированы и иметь незначительные вентиляционные потери для сохранения солнечного тепла в пределах оболочки здания.

· Поскольку требования в отношении дополнительных источников тепла в пассивном солнечном доме существенно уменьшены по сравнению с обычным домом, то дровяные печи часто являются оптимальным выбором для системы вспомогательного отопления на длительные облачные периоды.

· Пассивные солнечные дома часто имеют открытую планировку (общее пространство) для облегчения термосифонного эффекта в перемещении солнечного тепла от южного фасада через весь дом. Для распределения теплого воздуха в зданиях с многими комнатами иногда используются небольшие вентиляторы и воздуховоды.[17]

Пассивные солнечные концепции

Прямой солнечный обогрев

Имеются 2 основных пути получения пассивными солнечными домами солнечной энергии, прямой и косвенный обогрев.

Дома с прямым обогревом, считающиеся простейшими типами, обогреваются через окна южной ориентации, называющиеся солнечными окнами. Они могут быть в виде традиционных открывающихся или глухих окон южного фасада дома или стандартными изолирующими стеклянными панелями в стене теплицы или солярия. В то время, когда часть теплоты используется немедленно, стены, полы, потолки и мебель запасают избыточную теплоту, излучающуюся в пространство днем и ночью. Во всех случаях эффективность системы и комфорт помещения с прямым обогревом возрастут при увеличении термической массы (бетон, бетонные блоки, кирпичи), размещенной в пределах этого помещения.

Обычно эту систему подразделяют на системы:

прямого солнечного обогрева жилых помещений через окна южной ориентации

обогрева изолированного объема, т.е. теплицы.

Предпочтительно располагать термическую массу на пути лучей прямого солнечного света (радиационный нагрев), но масса, размещенная за его пределами (нагрев конвекцией воздуха) также важна для общей эффективности системы. Теплоаккумулирующая масса в 4 раза эффективнее в том случае, когда она находится на пути лучей прямого солнечного света и передает свое тепло конвекционным потокам воздуха нежели тогда, когда она лишь нагревается конвекционными потоками. Рекомендуемое соотношение между площадями поверхности теплоаккумулирующей массы и остекления южной ориентации 6:1. Вообще, комфорт и эффективность системы солнечного отопления увеличиваются с увеличением термической массы и для ее количества нет никакого верхнего предела.

Покрытия, расположенные поверх термической массы из таких материалов, как: ковры, пробка, древесноволокнистая плита будут эффективно изолировать термическую массу от поступающей солнечной энергии, затрудняя ее аккумулирование. Такие материалы, как: керамические плитки для пола или кирпич являются значительно лучшим выбором для покрытия пола, на который падает поток прямого солнечного излучения. Плитки должны быть уложены на цементный раствор для полного термического контакта с основанием, а не наклеены точечно.

В термической массе, на которую падает прямое солнечное излучение, основное значение имеет площадь поверхности, поэтому тонкие теплоаккумулирующие плиты эффективнее толстых. Наиболее эффективная толщина для бетонной теплоаккумулирующей плиты - 100 мм, увеличение толщины более 150 мм является бессмысленным в более жарком климате.

Наиболее эффективно расположение термической массы между двумя помещениями, в которые поступает прямое солнечное излучение, т.к. в этом случае теплоаккумулирующая стена поглощает солнечное тепло обеими поверхностями.

Внутренние теплоаккумулирующие стены, ориентированные по оси север-юг и находящиеся между помещениями, в которые поступает прямое солнечное излучение (а), и по оси запад-восток, между теплицей, в которую поступает прямое солнечное излучение и расположенным к северу от нее помещением с клересторием (окнами верхнего света) (б).

Предметы с незначительной массой и поверхности, покрытые материалами с низкой плотностью, должны иметь светлую окраску для отражения солнечного излучения на материалы с высокой плотностью. Если более половины площади стен в пространстве, куда поступает прямое солнечное излучение, имеют большую массу, то они должны быть светлых тонов. Если теплоаккумулирующая масса сконцентрирована в единственной стене, то эта стена должна иметь темную окраску, но если ее поверхность ориентирована таким образом, что на нее падает солнечный свет ранним утром, то окраска ее должна быть светлой, чтобы рассеять свет и теплоту в остальную часть помещения. Массивные полы должны иметь темную окраску для аккумулирования теплоты. Клересторий должен быть расположен таким образом, чтобы обеспечить максимально равномерное освещение на всю глубину помещения. Если же клересторий освещает только верхнюю часть помещения, то окраска стен должна быть настолько светлой, чтобы рассеять свет и теплоту по всей площади помещения.

В холодном климате перемещаемая теплоизоляция в виде драпировок, панелей, внутренних ставней, объемных штор часто используется для снижения теплопотерь через остекление в холодные зимние ночи. В связи с тем, что значительное количество солнечного света отражается летом от ориентированного на юг вертикального остекления, то приток тепла не столь велик в летнее время и консольные затеняющие карнизы не настолько необходимы, как считали ранние пассивные солнечные проектировщики. В жарком климате карнизы и наружно устанавливаемые жалюзи необходимы.

В связи с тем, что через остекление сохраняется хорошая видимость, эта методика наиболее приемлема там, где существуют приятные виды на окружающую природу через остекление южной ориентации. Некоторым людям неприятен ослепительный солнечный свет, присутствующий в помещениях с прямым солнечным обогревом, кроме того, он приводит к выцветанию обивочных и драпировочных тканей. Проблемой также является то, что если жильцы дома могут видеть все, что происходит снаружи, то и снаружи виден весь интерьер жилища.

Помимо обеспечения теплом в зимнее время, хорошо спроектированный пассивный солнечный дом должен создавать прохладу и хорошую вентиляцию летом. Существует устойчивый миф, распространяемый через средства массовой информации и идущий от проектов некоторых первых ранних пассивных солнечных домов, что перегрев в летнее время вообще характерен для зданий этого типа.

Косвенный солнечный обогрев

Еще одним типом пассивного солнечного дома является дом с косвенным обогревом, в котором энергия улавливается и запасается в одной зоне дома и используется естественное перемещение теплоты для нагревания остальных зон дома. Один из наиболее изобретательных проектов косвенного обогрева использует теплоаккумулирующую стену или стену Тромба, расположенную на расстоянии 75...100 мм от остекления южной ориентации. Названная по имени ее французского изобретателя Феликса Тромба стена возводится из материалов высокой плотности: камень, кирпич, кирпич-сырец ,наполненные водой контейнеры и окрашена в темные тона (черный, темно-красный, коричневый, фиолетовый или зеленый) для более эффективного поглощения солнечной радиации.

Некоторые проектировщики используют материалы с селективной поверхностью (хромированную медную или алюминиевую фольгу), позволяющие увеличить поглощательную способность стены до 90% по сравнению с 60% для окрашенной поверхности. Эти материалы помогают стене Тромба поглощать радиационную теплоту и в значительной степени снижать количество теплоты, теряющейся посредством излучения в окружающую среду в ночное время. Краска может наноситься кистью или распылителем и по своим характеристикам превосходит черную сажу на 10...20%.

Теплота, собранная и аккумулированная в стене в течение дня, может затем медленно излучаться в помещение почти сутки. Стена Тромба обеспечивает эффективное солнечное отопление без повреждения ультрафиолетовым излучением обивочных и драпировочных тканей и деревянной отделки в отличие от домов с системой прямого солнечного обогрева. Стены Тромба также обеспечивают визуальную защиту там, где это необходимо.

Рекомендуются следующие размеры стены Тромба:

«В холодном климате (средняя зимняя температура -7...-1°С) следует применять для стены Тромба двойное остекление южного фасада и каменную теплоаккумулирующую стену с площадью поверхности 40...100% или стену из контейнеров с водой с площадью поверхности 30...70% от площади пола жилого помещения.

В умеренном климате (средняя зимняя температура (2...7°С) следует применять каменную теплоаккумулирующую стену с площадью поверхности 20...70% или стену из контейнеров с водой с площадью поверхности 15...45% от площади пола жилого помещения.»

4.2 Солнечные теплицы

солнечный излучение отопление биомасса

Архитекторы и строители выяснили, что двухсветная теплица, пристроенная к дому, с открывающимися вентиляционными окнами в верхней части и вблизи пола, способна обеспечить естественную вентиляцию дома в течение всего лета. Через открытые в солнечный день верхние вентиляционные окна, поднимающаяся масса нагретого воздуха, выходит наружу и из-за понижения атмосферного давления в теплицу засасывается прохладный воздух через нижние вентиляционные окна или через смежные с теплицей окна помещений дома. Названный «эффектом дымовой трубы» этот принцип может также поддерживать прохладу в пассивном солнечном доме в летнее время без использования вентиляторов или кондиционеров.

Затеняющие устройства, смонтированные на южном фасаде дома, также могут защитить от перегрева в летнее время. Опускающиеся затенения или парусиновые навесы с наружной стороны окон южной ориентации, солярия, стен Тромба могут значительно снизить теплопоступления. Лиственные деревья и кусты, посаженные таким образом, чтобы затенить остекление южной ориентации, могут также создавать микроклимат, позволяющий понизить температуру на несколько градусов. После того, как осенью листья опадут, излучение зимнего солнца будет беспрепятственно проникать в дом

Исследования, проведенные в последние годы доказывают, что в холодных районах высаживать деревья и кусты перед южным фасадом все же не следует, т.к. в зимнее время ветви заметно снижают поступление солнечной энергии.[16]

Теплицы солнечного обогрева

Для отопления прямым солнечным обогревом весьма широко используется теплица. Для многих домовладельцев теплица с красивыми видами, открывающимися из нее, является любимым помещением в доме. Теплица может, если должным образом спроектирована и расположена, обеспечить до 50% потребностей дома в отоплении. В этом случае жилые помещения (в том числе и спальни) лучше всего расположить в южной части дома (сделать их смежными с теплицей), а с северной стороны дома расположить помещения не требующие много тепла (подсобные помещения). В крупных зданиях для освещения северных комнат можно применить клересторий.

Продовольственная теплица/оранжерея

Оранжерея, например, должна в первую очередь являться комфортабельным и здоровым помещением для растений. Растения нуждаются в свежем воздухе, воде, большом количестве света и защите от экстремальных температур. Оранжереи потребляют значительное количество энергии при испарении воды. 1 литр испарившейся воды - это потеря около 2,32 МДж энергии, которая могла бы быть использована для отопления.

Для укрепления здоровья и освобождения от насекомых и болезней растения нуждаются в адекватной вентиляции, даже зимой. Имеются системы кондиционирования воздуха типа воздухо-воздушных теплообменников, которые вентилируют помещение без значительных потерь теплоты, но они заметно увеличивают стоимость проекта. Световые требования к помещению для выращивания растений - верхнее остекление, усложняющее строительство и обслуживание, и остекление торцевых стен, увеличивающее потери тепла.

Будут существовать некоторые экономические выгоды от выращивания овощей и конечно много можно говорить о получении удовлетворения от вида помещения, пристроенного к дому, полного здоровых растений. Тем не менее, теплица, спроектированная как идеальная садоводческая среда, не даст достаточно энергии для использования ее в качестве дополнительного источника отопления помещений дома.

Теплица как коллектор солнечного отопления

Если задача теплицы - улавливание солнечного тепла и распространение его в смежные с теплицей жилые помещения, то Вы стоите перед выбором различных проектных критериев. Максимальная эффективность будет достигнута с наклонным остеклением, незначительным количеством растений, и теплоизолированными незастекленными торцевыми стенами.

Помните, что получите большее количество поступления полезной теплоты в жилые помещения, если в теплице отсутствуют растения и, соответственно, поглощение большого количества теплоты. Нагретый солнцем воздух может быть перемещен в дом через двери или открытые окна в смежной с теплицей стене, а также передан по воздуховоду в более отдаленные области.

Теплица как жилое помещение

Если теплица будет являться жилым помещением, то должен будет рассматриваться комфорт, удобство и свободу пространства в дополнение к энергетической эффективности. Комната, в которой планируется жить, должна быть теплой зимой, прохладной летом, иметь невысокую контрастность освещения и умеренную влажность.

Вертикальное остекление - выбор значительного числа проектировщиков по разным причинам. Прежде всего, хотя наклонное остекление улавливает большее количество теплоты, но зимой оно также и теряет большее количество этой теплоты в ночное время, что сводит на нет получение дневного тепла. Применение наклонного остекления может также привести к перегреву в более теплую погоду, обычно весной и осенью, когда Вы не нуждаетесь в отоплении.

Вертикальное остекление южной стены намного более соответствует требованиям отопительной нагрузки. Оно эффективно зимой, когда солнце находится низко над горизонтом и позволяет уменьшить поступление солнечного тепла, когда солнце находится вблизи зенита в летнее время. Хорошо спроектированный карниз над южным остеклением - может быть все, что необходимо, чтобы затенить его от солнечных лучей, когда помещение не нуждается в дополнительном теплопоступлении. Вертикальное остекление также более дешевое и более простое в монтаже и изоляции, и не склонно к протечкам, конденсату и поломкам.

Теплица, разработанная для проживания, требует тщательного размещения термической массы, специальные меры должны быть приняты для того, чтобы прямые солнечные лучи не падали на эту теплоаккумулирующую массу. Каменный пол, покрытый коврами и мебелью, очевидно не столь эффективная термическая масса как каменная кладка, находящаяся на пути прямых солнечных лучей.

Когда солнце садится, те же самые окна, что улавливали теплоту в течение всего дня начинают излучать полученную теплоту в окружающее пространство. Для минимизации ночных потерь теплоты и повышения комфорта (человеческое тело тоже излучает теплоту в направлении холодных поверхностей) можно захотеть включить в проект подвижную теплоизоляцию окна или решить вопрос с установкой стеклопакетов, имеющих минимальные тепловые потери.