Баганов Є.О. Конспект лекцій з дисципліни Джерела енергії на Землі

Подождите немного. Документ загружается.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

101

3. Втрати на крутіння струменя за вітряком дорівнюють живій силі

тангенціальних швидкостей струменя, що проходить.

4. Втрати, що відбуваються внаслідок неповного використання всієї

площі, що омітається, враховуються відношенням:

Коефіцієнт використання енергії вітру реального вітряка

Відносний коефіцієнт корисної дії вітряка дорівнює:

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

102

Лекція 12

Перетворення енергії Сонця.

Основними напрямками перетворення сонячної енергії є перетворення в

електричну енергію й теплову енергію.

Системи сонячного теплопостачання

Класифікація й основні елементи геліосистем

Системами сонячного теплопостачання називаються системи, які

використовують як джерело теплової енергії сонячну радіацію. Їхньою

характерною відмінністю від інших систем низькотемпературного опалення

та гарячого водопостачання є застосування спеціального елемента -

геліоприймача, призначеного для абсорбції сонячної радіації й перетворення

її в теплову енергію.

За способом використання сонячної радіації системи сонячного

низькотемпературного опалення підрозділяють на

пасивні й активні.

Пасивними називаються системи сонячного опалення, у яких як

елемент, що сприймає сонячну радіацію й перетворює її в теплоту, служать

сам будинок або його окремі огородження (будинок-колектор, стіна-

колектор, покрівля-колектор і т. п.). Також вони виконують і роль

акумулятора.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

103

Рис. 1. Пасивна низькотемпературна система сонячного опалення « стіна-

колектор»: 1 - сонячні промені; 2 - прозорий екран; 3 - повітряна заслінка; 4 -

нагріте повітря; 5 - охолоджене повітря із приміщення; 6 - власне

довгохвильове теплове випромінювання масиву стіни; 7 - чорна абсорбуюча

поверхня стіни; 8 - жалюзі.

Активними називаються системи сонячного низькотемпературного

опалення, у яких геліоприймач є самостійним окремим пристроєм, що не

належить до будинку. Активні геліосистеми можуть бути підрозділені:

- за призначенням (системи гарячого водопостачання, опалення,

комбіновані системи для цілей теплохолодопостачання);

- за видом використовуваного теплоносія (рідинні - вода, антифриз і

повітряні);

- за тривалістю роботи (річні, сезонні);

- за технічним

рішенням схем (одно-, двох-, багатоконтурні).

Повітря є поширеним незамерзаючим у всім діапазоні робочих параметрів

теплоносієм. При застосуванні його як теплоносія можливе сполучення

систем опалення із системою вентиляції. Однак повітря - малотеплоємний

теплоносій, що веде до збільшення витрат металу на пристрій систем

повітряного опалення в порівнянні з водяними системами.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

104

Вода є теплоємним і широкодоступним теплоносієм. Однак при

температурах нижче 0°С у неї необхідно додавати незамерзаючі рідини. Крім

того, потрібно враховувати, що вода, насичена киснем, викликає корозію

трубопроводів і апаратів. Але витрати металу у водяних геліосистемах

значно нижче, що у великому ступені сприяє більше широкому їхньому

застосуванню.

Сезонні геліосистеми гарячого водопостачання

зазвичай одноконтурні

й функціонують у літні й перехідні місяці, у періоди з позитивною

температурою зовнішнього повітря. Вони можуть мати додаткове джерело

теплоти або обходитися без нього залежно від призначення об'єкта, що

обслуговується, і умов експлуатації.

Геліосистеми опалення будинків зазвичай двоконтурні або найчастіше

багатоконтурні, причому для різних контурів можуть бути

застосовані різні

теплоносії (наприклад, у геліоконтурі - водяні розчини незамерзаючих рідин,

у проміжних контурах - вода, а в контурі споживача - повітря).

Комбіновані геліосистеми річної дії для цілей теплохолодопостачання

будинків багатоконтурні й включають додаткове джерело теплоти у вигляді

традиційного теплогенератора, що працює на органічному паливі, або

теплового насоса.

Принципова схема системи сонячного теплопостачання

наведена на

рис. 2.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

105

Рис. 2. Принципова схема системи сонячного теплопостачання: 1 - сонячний

колектор; 2 - бак-акумулятор; 3 - теплообмінник; 4 - будинок; 5 - калорифер;

6 - дублер системи опалення; 7 - дублер системи гарячого водопостачання; 8 -

циркуляційний насос; 9 - вентилятор.

Вона включає три контури циркуляції:

- перший контур, що складається із сонячних колекторів 1, циркуляційного

насоса 8 і рідинного теплообмінника 3;

- другий контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного

насоса

8 і теплообмінника 3;

- третій контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса

8, водоповітряного теплообмінника (калорифера) 5.

Функціонує система сонячного теплопостачання в такий спосіб.

Теплоносій (антифриз) теплоприймального контуру, нагріваючись у

сонячних колекторах 1, надходить у теплообмінник 3, де теплота антифризу

передається воді, що циркулює в міжтрубному просторі теплообмінника 3

під дією насоса 8 другого контуру. Нагріта

вода надходить у бак-акумулятор

2. З бака-акумулятора вода забирається насосом гарячого водопостачання 8,

доводить при необхідності до необхідної температури в дублері 7 і надходить

у систему гарячого водопостачання будинку. Підживлення бака-акумулятора

здійснюється з водопроводу.

Для опалення вода з бака-акумулятора 2 подається насосом третього

контуру 8 у калорифер 5, через який за допомогою

вентилятора 9

пропускається повітря й, нагрівшись, надходить у будинок 4. У випадку

відсутності сонячної радіації або недостачі теплової енергії, вироблюваної

сонячними колекторами, у роботу включається дублер 6.

Вибір і компонування елементів системи сонячного теплопостачання в

кожному конкретному випадку визначаються кліматичними факторами,

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

106

призначенням об'єкта, режимом теплоспоживання, економічними

показниками.

2. Концентруючі геліоприймачі

Концентруючі геліоприймачі

являють собою сферичні або, частіше,

параболічні дзеркала (мал. 3), виконані з полірованого металу, у фокус яких

поміщають теплосприймаючий елемент (сонячний котел), через який

циркулює теплоносій. Як теплоносій використовують воду або масло (вища

температура кипіння).

Для забезпечення високої ефективності процесу вловлювання й

перетворення сонячної радіації що

Концентруючий геліоприймач повинен

бути постійно спрямований на Сонце. Із цією метою геліоприймач

постачають системою спостереження, що включає датчик напрямку на

Сонце, електронний блок перетворення сигналів, електродвигун з

редуктором для повороту конструкції геліоприймача у двох площинах.

Рис. 3.

Концентруючі геліоприймачі: а - параболічний концентратор; б -

параболоциліндричний концентратор; 1 - сонячні промені; 2 -

теплосприймаючий елемент (сонячний колектор); 3 - дзеркало; 4 - механізм

привода системи спостереження; 5 - трубопроводи, що підводять і відводять

теплоносій.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

107

Перевагою систем із концентруючими геліоприймачами є здатність

вироблення теплоти з відносно високою температурою (до 100 °С) і навіть

пари. До недоліків варто віднести високу вартість конструкції; необхідність

постійного очищення поверхонь, що відбивають, від пилу; роботу тільки у

світлий час доби, а отже, потреба в акумуляторах великого об'єму; більші

енерговитрати на привод системи спостереження за ходом

Сонця, порівнянні

з вироблюваною енергією. Ці недоліки стримують широке застосування

активних низькотемпературних систем сонячного опалення із

концентруючими геліоприймачами. Останнім часом найбільше часто для

сонячних низькотемпературних систем опалення застосовують плоскі

геліоприймачі.

3. Плоскі сонячні колектори

Плоский сонячний колектор

– пристрій з поглинаючою панеллю

плоскої конфігурації й плоскою прозорою ізоляцією для поглинання енергії

сонячного випромінювання й перетворення її в теплову.

Плоскі сонячні колектори (мал. 4) складаються зі скляного або

пластикового покриття (одинарного, подвійного, потрійного),

теплосприймаючої панелі, пофарбованої з боку, зверненого до сонця, у

чорний колір, ізоляції на звороті й корпуса (металевого,

пластикового,

скляного, дерев'яного).

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

108

Рис. 4. Плоский сонячний колектор: 1 - сонячні промені; 2 – склове покриття;

3 - корпус; 4 - теплосприймаюча поверхня; 5 - теплоізоляція; 6 - ущільнювач;

7 - власне довгохвильове випромінювання теплосприймаючої пластини.

У якості теплосприймаючої панелі можна використовувати будь-який

металевий або пластмасовий лист із каналами для теплоносія.

Виготовляються теплосприймаючі панелі з алюмінію або стали двох типів:

лист-труба й штамповані панелі (труба

в листі). Пластмасові панелі через

недовговічність і швидке старіння під дією сонячних променів, а також через

малу теплопровідність не знаходять широкого застосування.

Під дією сонячної радіації теплосприймаючі панелі розігріваються до

температур 70-80 °С, що перевищують температуру навколишнього

середовища, що веде до зростання конвекційної тепловіддачі панелі в

навколишнє середовище і її власне випромінювання

на небозвід. Для

досягнення більше високих температур теплоносія поверхня пластини

покривають спектрально-селективними шарами, що активно поглинають

короткохвильове випромінювання сонця й знижують її власне теплове

випромінювання в довгохвильовій частині спектра. Такі конструкції на

основі «чорного нікелю», «чорного хрому», окису міді на алюмінії, окисі міді

на міді й інші мають значну

ціну (їхня вартість часто порівнянна з вартістю

самої теплосприймаючої панелі). Іншим способом поліпшення характеристик

плоских колекторів є створення вакууму між теплосприймаючою панеллю й

прозорою ізоляцією для зменшення теплових втрат (сонячні колектори

четвертого покоління).

ККД колектора у переважній більшості випадків можна оцінити за

формулою

)TU(T

αη

−

−=

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

109

де α- поглинальна здатність колектора, W

- потужність сонячної радіації, Вт,

Т – середня температура води в колекторі, Т

– температура оточуючого

середовища.

Досвід експлуатації сонячних установок на основі сонячних колекторів

виявив ряд істотних недоліків подібних систем. Насамперед це висока

вартість колекторів. Збільшення ефективності їхньої роботи за рахунок

селективних покриттів, підвищення прозорості осклення, вакуумування, а

також пристрою системи охолодження виявляються економічно

нерентабельними. Істотним недоліком є необхідність частого очищення

стекол від

пилу, що практично виключає застосування колектора в

промислових районах. При тривалій експлуатації сонячних колекторів,

особливо в зимових умовах, спостерігається частий вихід їх з ладу через

нерівномірність розширення освітлених і затемнених ділянок скла за рахунок

порушення цілісності осклення. Відзначається також великий відсоток

виходу з ладу колекторів при транспортуванні й монтажі. Значним недоліком

роботи систем з колекторами є також нерівномірність завантаження протягом

року й доби. Досвід експлуатації колекторів в умовах Європи при високій

частці дифузійної радіації (до 50%) показав неможливість створення річної

автономної системи гарячого водопостачання й опалення. Всі геліосистеми із

сонячними колекторами в середніх широтах вимагають застосування великих

по об'єму баків-акумуляторів

і включення в систему додаткового джерела

енергії, що знижує економічний ефект від їхнього застосування. У зв'язку із

цим найбільше доцільно їхнє використання в районах з високою середньою

інтенсивністю сонячної радіації (не нижче 300 Вт/м

Фотоелектричне перетворення сонячного випромінювання.

Сонячний елемент

Сонячний елемент (фотоелемент, фотоелектричний перетворювач —

ФЕП) — це напівпровідниковий прилад що служить для перетворення

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

110

світлової енергії у електричну. В основі цього перетворення лежить явище

фотоефекту.

Принцип роботи

Принцип роботи сучасних

фотоелементів базується на

напівпровідниковому p-n переході.

При поглиннанні фотона в області, яка

прилягає до p-n переходу, створюється

пара носіїв заряду: електрон і дірка. Одна із

цих частинок є неосновним зарядом і з

великою ймовірністю проникає крізь

перехід. В результаті створені завдяки

поглинанню енергії фотона заряди

розділяються в просторі й не

можуть

рекомбінувати. Як наслідок порушується

рівновага густини зарядів. При під’єднанні елемента до зовнішнього

навантаження у колі протікає струм.

Говорять про напругу холостого ходу і струм короткого замикання.

Напруга холостого ходу (V

) — максимальна напруга (зовнішнє

навантаження нескінченне), яку може генерувати елемент. А струм короткого

замикання (I

), це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження

дорівнює нулю), який може генерувати елемент. У робочому режимі напруга

і струм є меншими, і при певних значеннях (V

max

і I

max

) елемент має

максимальну потужність (P

max

Втрати у сонячному елементі

Основні необоротні втрати енергії у фотоелементах пов'язані з:

• відбиттям сонячного випромінювання від поверхні перетворювача,

• проходженням частини випромінювання через фотоелемент без

поглинання в ньому,