10493

61

полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Основным элементом вакуумного коллектора является вакуумная трубка (рис. 5.24). Она состоит из двух стеклянных труб (одна трубка вставлена в другую с большим диаметром). Внешняя труба выполнена из прозрачного сверхпрочного боросиликатного стекла. Внутренняя труба также сделана из прозрачного боросиликатного стекла, покрытого специальным селективным нанопокрытием, которое обеспечивает максимальное поглощение тепла при минимальном отражении. Во избежание кондуктивных и конвективных теплопотерь из пространства между двумя трубами выкачан воздух и создан вакуум. Для поддержания вакуума между двумя стеклянными трубами используется бариевый газопоглотитель (такой же, как в телевизионных трубках).

Рис. 5.24. Устройство вакуумной трубки.

Наибольшее распространение получили три типа вакуумных коллекторов:

1)трубчатый вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде;

2)вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным

62

теплообменником; 3) вакуумный коллектор с термотрубками.

В трубчатом вакуумном коллекторе с прямой теплопередачей воде (рис. 5.25) вакуумные трубки соединены с накопительным баком. Из контура теплообменника вода течёт прямо в трубки, нагревается и возвращается обратно. Такие системы еще называют термосифонными.

Рис. 5.25. Трубчатый вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде.

К преимуществам этих систем относится непосредственная передача тепла воде без участия других элементов. Термосифонные системы работают на принципе явления естественной конвекции, когда теплая вода стремится вверх. В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Когда вода в трубках коллектора нагревается, она становится легче и естественно поднимается в верхнюю часть бака. Более прохладная вода в баке течет вниз в трубки, таким образом, обеспечивается циркуляция во всей системе. В маленьких системах бак объединен с коллектором и не рассчитан на магистральное давление, поэтому термосифонные системы нужно использовать либо с подачей воды из выше

63

расположенной емкости, либо через уменьшающие давлен ие редукторы. Такая система имеет минимально е гидравлическое сопротивление.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником (рис. 5 .26) имеет все преимущества и особ енности предыдущего типа коллекторов. Отлич ием является наличие встроенного в бак эффективного теплообменника, что позволяет подсоединить коллектор с баком к напорной сети водоснабжения.

Рис. 5.26. Трубчатый вакуум ный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником спирального типа.

При этом в трубках по-прежнему практически нет давления. Одним из преимуществ также является возможность заполнения водонагревательного контура незамерзающей жидкостью, что позволяет использовать его и при небольших минусовых температурах (до минус 5-10 градусов). Другим преимуществом является то, что в коллекторе не откладываются соли жесткости и друг ие загрязнения, так как объем теплоносителя один и тот же, а расходуемая вода проходит только по внутреннему медному тепл ообменнику.

Главным элементом вакуумного коллектора с термотрубками (рис. 5.27)

является термотрубка – закрытая медная труба с небольшим содержанием

64

легкокипящей жидкости. Работа высокотехнологичных вакуумных трубок основана на простом принципе тепловой трубы, которая представляет собой полый медный стержень, запаянный с обоих концов с расширением в верхней части. Внутри него находится нетоксичная жидкость (иноргатик).

Рис. 5.27. Вакуумный коллектор с термотрубками.

При нагревании жидкости до температуры кипения она закипает и в парообразном состоянии поднимается в верхнюю часть – наконечник (конденсатор), температура на котором может достигать 250-380 ° С. И там конденсируется, отдавая тепло. А конденсат стекает по стенкам трубки вниз и процесс повторяется. Тепловая трубка вставляется в стеклянную трубу и фиксируется между двумя алюминиевыми ребрами. Форма ребер такова, что площадь их контакта с тепловой трубкой и внутренней поверхностью вакуумной трубы максимальна. Такая модель ребер обеспечивает максимальную передачу тепла к медной тепловой трубке, а потом теплоносителю в проточном теплообменнике.

Компания Ruсelf в своих каталогах приводит результаты сравнительного анализа эффективности солнечных коллекторов (таблица 2)

65

Из таблицы видно, что на сегодняшний день самым эффективным является вакуумный коллектор с термотрубками, единственным минусом которого, по отношению ко всем остальным коллекторам является его высокая стоимость. В России применение остальных типов коллекторов будет напрямую зависеть от климатических условий конкретного региона, однако в большинстве случаев эффективность использования в различные периоды года будет неравномерной. Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде не сможет работать в минусовые и близкие к минусовым температуры наружного воздуха, поскольку его единственным теплоносителем является вода. В то же время он может стать оптимальным коллектором для стран, где минусовые температуры в течение года отсутствуют.

Помимо солнечного коллектора в систему приготовления и транспортировки

66

теплоносителя входят контроллер (солнечный блок управления), насосы, расширительный бак и накопительный бойлер (рис. 5.28).

Рис. 5.28. Схема работы системы ГВС с плоским коллектором.

Рис. 5.29. Схема работы системы ГВС с вакуумным коллектором.

Накопительный бойлер содержит несколько контуров трубопроводов (рис.

67

5.29), и для повышения надежности системы, а также при сезонном использовании коллектора предусматривается дублирующий источник тепловой энергии, который подключается к дополнительному контуру (рис. 5.30). Как правило, этим источником является котел, но может быть предусмотрен трубчатый электронагреватель, расположенный непосредственно в накопительном бойлере, или дизель-генератор.

Рис. 5.30. Монтаж вакуумного коллектора.

Применение солнечной энергии в промышленности весьма обширно как с точки зрения получения электрической, так и тепловой энергии.

В данном пособии в качестве примера рассмотрим получившие широкое распространение параболические концентраторы солнечной энергии (рис. 5.31).

Основная задача концентратора фокусировать солнечные лучи на емкости с теплоносителем, которым могут выступать, например, масло или вода, хорошо поглощающие солнечную энергию.

Параболические солнечные концентраторы бывают в длину до 50 метров, они

68

имеют вид вытянутой зеркальной параболы. Такой концентратор состоит из массива вогнутых зеркал, каждое из которых собирает параллельные солнечные лучи, и фокусирует их в конкретной точке. Вдоль такой параболы, располагается труба с теплоносителем так, что на нее и фокусируются все отраженные зеркалами лучи. Чтобы снизить потери тепла, трубу окружают стеклянной трубкой, которая протянута вдоль линии фокуса цилиндра (рис. 5.31).

Рис. 5.31. Устройство параболического концентратора.

Такие концентраторы располагаются рядами в направлении север-юг, и они, безусловно, оснащаются системами слежения за солнцем. Сфокусированное в линию излучение, нагревает теплоноситель почти до 400 градусов, он проходит через теплообменники, вырабатывая пар, который и вращает турбину генератора (рис. 5.32).

69

Рис. 5.32. Схема работы параболического солнечного концентратора.

Рис. 5.33. Общий вид параболических концентраторов.

Справедливости ради стоит отметить, что на месте трубы может быть

70

расположен и фотоэлемент. Однако, несмотря на то, что с фотоэлементами, размеры концентраторов могут быть меньшими (рис. 5.33), это чревато уменьшением КПД и проблемой перегрева, для решения которой требуется разработка качественной системы охлаждения.

Подводя итог в данном разделе можно сказать, что солнечная энергетика, пожалуй, одно из самых перспективных направлений использования энергии возобновляемых источников на сегодняшний день. Описанные установки составляют лишь малую часть существующего многообразия, которые способны на равных конкурировать с установками, использующими органическое топливо в качестве источника энергии.

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Как уже было описано ранее, первоисточником для возникновения ветра является тепловая энергия Солнца. Воздух, нагреваясь возле поверхности земли, поднимается вверх, так как его удельный вес при нагревании становится меньше. Это вертикальное движение воздуха является первичным и основным в ряду последовательных процессов, вызывающих появление ветра. Последовательность процессов движения воздуха от нагрева к охлаждению и снова к нагреву и т. д. по мере его движения относительно вращающейся вокруг оси поверхности земли во времени и пространстве приводит к возникновению атмосферной циркуляции.

Скорость ветра увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра.

Именно кинетическая энергия ветра с помощью ветроэнергетических установок преобразуется в механическую работу, которая в дальнейшем передается на вал электрогенератора, где вырабатывается электрический ток (рис. 5.34).