Статья ВАК: Применение вакуумных солнечных коллекторов для отопления

Введение

Декарбонизация энергетического сектора является одним из важнейших шагов на пути к ограничению роста глобальной температуры до уровня ниже 2°C в соответствии с целями Парижского соглашения по климату 2015 года [1]. Спрос на энергию резко возрастает в результате быстрого роста населения. Эксплуатация систем отопления, в которых преимущественно используются уголь и газ, приводит к сильному загрязнению окружающей среды, низкой эффективности сгорания и высоким выбросам углерода [2]. Повышение энергоэффективности должно снизить потребление энергии и затраты на отопление. Органы власти должны создавать условия для внедрения экологичных энергосберегающих технологий, подходящих для климатических условий конкретного региона, и активно пропагандировать их [3]. Солнечная энергия является наиболее освоенным и распространённым возобновляемым источником энергии в странах всего мира благодаря своим преимуществам: она неиссякаемая, экологически безопасная и не загрязняет окружающую среду [4].

Небольшая часть энергии используется в природе в виде солнечного света и фотосинтеза, часть отражается обратно, а остальное поглощается поверхностью на планете. Поскольку солнечная радиация доступна только днём, имеет смысл собирать солнечную энергию и эффективно использовать её для получения электричества, тепла и охлаждения [5]. Для использования солнечная энергия преобразуется в два основных вида: электрическую и тепловую энергию [6]. Цель работы — проанализировать влияние выработки тепловой энергии вакуумными коллекторами.

Сравнение двух солнечных систем подтверждает, что солнечный коллектор с вакуумной трубкой имеет гораздо лучшую производительность солнечной энергии, чем солнечный коллектор с плоской пластиной [7]. Плоские пластинчатые коллектора имеют сравнительно низкую эффективность и температуру на выходе. Основными недостатками плоских солнечных коллекторов являются конвективные потери тепла через поверхность стекла и отсутствие слежения за солнцем, а также зависимость от климатических условий и эрозия материала из-за конденсата.

За последние годы вакуумные трубчатые коллекторы обогнали рынок плоских коллекторов благодаря развитию недорогой технологии напыления для производства вакуумных трубок из двойного стекла. Такие характеристики, как высокая производительность, устойчивость к коррозии и контролируемая рабочая температура являются основными преимуществами солнечных коллекторов с вакуумной трубкой [8].

Преимущество трубчатых солнечных коллекторов в том, что они меньше зависят от направления солнечного света, в то время как плоские пластины чрезмерно отражают плохо направленный солнечный свет. Солнечные тепловые коллекторы — это компоненты, существующие для сбора солнечного излучения, преобразования его в тепловую энергию и передачи её рабочей жидкости. Поэтому солнечные тепловые коллекторы являются основным и наиболее важным компонентом солнечных тепловых систем.

Общая солнечная радиация в горизонтальной плоскости без облаков в течение отопительного периода значительно уменьшается с увеличением широты, в то время как общая солнечная радиация в вертикальной плоскости изменяется в зависимости от азимута, широты и времени года. Фактическое значение солнечной радиации невелико, поскольку зависит от фактической облачности и прозрачности атмосферы в густонаселённых районах, а это означает, что продолжительность светового дня в отопительный период сокращается примерно в два раза и увеличивается потребление электроэнергии для внутреннего и наружного освещения [9].

Материалы и методы

Метод, использованный в данном исследовании, является описательным методом, включающим сбор и анализ данных о интенсивности солнечной радиации (прямая солнечная радиация), полученных с сайта World Solar Atlas. Предлагается изучить возможность использования солнечных коллекторов в системах отопления в Москве. Расчёты основаны на данных из Москвы, Центрального федерального округа (долгота 37°61′, широта 55°75′). Значение солнечной радиации принимается из World Solar Atlas. В этой статье рассматриваются вакуумные трубчатые коллекторы, в частности, в контексте отопления частного жилого дома. Средний годовой температурный показатель в этом месте составляет 5,8°C, а cреднегодовое значение прямого нормального облучения — 1019,4 кВт·ч/м².

Вакуумная трубка состоит из двух концентрических стеклянных трубок, запаянных с обоих концов и покрытых на внутренней трубке солнечным селективным покрытием. Вакуумные трубчатые солнечные коллекторы обеспечивают высокую эффективность благодаря своей трубчатой структуре, которая позволяет постоянно отслеживать солнечный луч, уменьшает площади тепловых потерь, а вакуум между двойными стёклами значительно снижает конвективные потери тепла [10]. Солнечные селективные покрытия под воздействием солнца поглощают солнечную энергию и передают её тепловым трубам, установленным во внутренней трубе. Как внутренняя, так и внешняя трубы обладают минимальными отражающими свойствами. Для создания вакуума две трубки соединяются в верхней части, чтобы откачать имеющийся воздух. Коллекторы вакуумных трубок состоят из нескольких труб, связанных с сосудом.

Каждая трубка содержит медную тепловую трубку, заполненную рабочей жидкостью. Жидкость в тепловой трубе имеет низкую температуру кипения, поэтому поднимается к коллекторной части тепловой трубы при нагревании солнечным излучением. После того, как холодная жидкость достигает нижней части трубы и нагревается, её плотность уменьшается, а горячая жидкость течёт вверх, чтобы попасть в накопительный бак. Жидкость на конце трубы меняет своё направление, там образуется нулевое значение скорости, что называется застойной зоной, что приводит к уменьшению скорости теплопередачи жидкости внутри трубки [11]. Коллекторы с вакуумными трубками из тепловых труб обеспечивают подачу жидкости при более высоких температурах и эффективны при плохих погодных условиях [12]. Солнечные коллекторы с вакуумной трубкой могут собирать как прямое, так и рассеянное излучение. Обслуживание солнечных коллекторов с вакуумной трубкой является простым и недорогим. Если трубки повреждены или сломаны, система не перестанет работать, коллектор всё равно будет работать с меньшей эффективностью. В случае вакуумных коллекторов повреждённые трубки можно заменить без отключения всей системы, в то время как в случае плоских пластинчатых коллекторов для замены коллектора необходимо отключить всю систему.

На рис. 1 показана солнечная радиация для Москвы, максимальная радиация в июне на 1 м² составила 5,039 кВт·ч/м² в сутки, а минимальная радиация в декабре составила 0,354 кВт·ч/м² в сутки.

Рис. 1. Солнечная радиация для Москвы

Вакуумные трубчатые солнечные коллекторы являются развитой технологией в стране, поскольку они могут использоваться для широкого диапазона средних и высоких температур, в зависимости от требований. Для достижения максимальной эффективности солнечные коллекторы следует устанавливать под углом 38°, обращённым на юг.

На рис. 2 показан солнечный коллектор, который может поглощать до 80% солнечной энергии в соответствии с методом, описанным в [13]. Было определено количество энергии, которое может быть поглощено вакуумным солнечным коллектором и преобразовано в тепло.

Рис. 2. Энергия поглощения солнечного излучения вакуумными трубками в Москве

Площадь поглощения вакуумной трубки диаметром 58 мм и длиной 1800 мм составляет 0,08 м². Характеристики вакуумного солнечного коллектора SCV-30–1800–58 с термотрубкой: коэффициент поглощения более 0,94%, коэффициент излучения менее 0,06%, прозрачность внешней трубки — 0,95. Вакуумные коллекторы с термотрубкой являются наиболее технологически продвинутым типом коллекторов в настоящее время и обладают лучшей производительностью в холодную погоду [12]. Отопительный период длится с октября по апрель.

Базовый жилой дом был разработан для использования в качестве отправной точки для сравнительных исследований энергопотребления. Габаритные размеры дома в базовом варианте — 19,8×12,75 м, двухэтажное здание с фасадной конструкцией, высота пола — 3,3 м, соотношение окон к стенам 30%. Типовые проекты ограждающих конструкций были разработаны на основе преобладающих архитектурных практик.

Чтобы определить количество тепловой энергии, необходимой для отопления, определяется коэффициент теплопередачи стены. Например, потеря тепла является ключевым фактором при проектировании, поэтому такие стены и крыши, как правило, имеют достаточную теплоизоляцию: kнс = 0,33 Вт/( м²·°C), kкр = 0,24 Вт/( м²·°C), kок = 1,96 Вт/( м²·°C). Для сравнительных энергетических исследований были приняты одни и те же внутренние нагрузки, внутренние проектные условия и базовые системы ОВиК с соответствующими проектными данными.

Теплопотери через ограждающие конструкции определяются по формуле:

Qогр = kS(tв — tн)n(1 + Σβ), (1)

где k — коэффициент теплопередачи, Вт/( м²·°C); S — площадь ограждающих конструкций, м²; tв — внутренняя температура воздуха в помещении, °C; tн — наружная температура воздуха, °C; n — коэффициент положения ограждения; β — сумма добавочных теплопотерь через ограждения; Qair — расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха, Qair = 8073,34 Вт.

Теплопотери через ограждающие конструкции в декабре месяце составят Qогр = 30616,85 Вт. Общие теплопотери в декабре составят 38690,2 Вт.

В табл. 1 показано количество тепловой энергии, необходимой в течение отопительного периода. Зная величину необходимой тепловой энергии, определяем количество устанавливаемых трубок. Количество трубок может значительно варьироваться в зависимости от отопительной нагрузки и энергии, получаемой от солнечного коллектора. Большое количество трубок оказывает негативное влияние летом, так как затрудняет использование дополнительного тепла. К расчёту принимаем 175 трубок в составе коллекторов.

На рис. 3 показана тепловая мощность солнечного коллектора и количество тепла, необходимое для отопления.

Рис. 3. График тепловой энергии

Солнечная энергия могут быть конкурентоспособными по стоимости в России по сравнению с традиционной генерацией даже при текущей высокой стоимости [14].

Заключение

В жилом секторе солнечные коллекторы с вакуумной трубкой доказали свой большой потенциал. Применение вакуумных солнечных коллекторов может снизить расходы на отопление. В ходе проведённых исследований было подтверждено, что вакуумные солнечные коллекторы являются наиболее производительными и эффективными по сравнению с другими типами солнечных коллекторов [15]. Для снабжения системы отопления требуется группа солнечных коллекторов общей мощностью 200,87 кВт. При установке солнечного коллектора под углом 38° необходимое количество вакуумных трубок для отопления составит 175 шт.

Из рис. 3 можно сделать вывод, что в октябре и в марте выработка тепловой энергии солнечным коллектором будет полностью покрывать пиковые нагрузки. В ноябре нагрузка будет покрываться на 35%, в декабре — на 10%, в январе — на 24%, в феврале — на 20% от солнечных коллекторов.

Солнечные коллекторы с вакуумной трубкой настоятельно рекомендуются для использования при высоких температурах, поскольку они легко достигают высоких температур и сохраняют тепло даже в холодном климате. В холодном климате солнечные коллекторы с вакуумной трубкой очень экономичны и обеспечивают превосходную эффективность благодаря эффекту защиты от замерзания.

Вакуумные солнечные коллекторы состоят из тепловых трубок и по форме напоминают термос. Трубки прозрачны снаружи и имеют высокоселективное покрытие внутри для эффективного улавливания солнечной энергии [16]. Благодаря цилиндрической форме трубки солнечный свет попадает на поглощающую поверхность перпендикулярно оси трубки, а все остальные лучи, не перпендикулярные оси трубки, отражаются. Вакуумными солнечными коллекторами за год возможно выработать 134,83 кВт. При установке вакуумных солнечных коллекторов экономия энергоресурсов в натуральном выражении составит 67%.