Солнечный аккумулятор тепла: АККУМУЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА

Солнечный аккумулятор тепла

Изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для преобразования солнечной энергии в тепловую и аккумулирования ее с целью последующего использования в бытовых условиях, например, для обогрева туристских палаток, юрт, различного рода помещений. В солнечном аккумуляторе тепла, содержащем корпус, светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель, наполнитель аккумулятора тепла и теплоизоляцию, наполнитель аккумулятора тепла помещен в съемный герметичный контейнер, установленный в корпусе с поджатием к теплоприемной панели откидывающейся крышкой через теплоизоляцию. Наполнителем аккумулятора тепла является вещество с фазовым превращением. Изобретение должно обеспечить удобство в эксплуатации. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для преобразования солнечной энергии в тепловую и аккумулирования ее с целью последующего использования в бытовых условиях, например, для обогрева туристских палаток, юрт, различного рода помещений.

Известен солнечный коллектор — нагреватель жидкости, содержащий корпус в виде заполненного жидкостью бака с патрубками, светопрозрачную для лучей теплоизоляцию, поглощающую энергию солнечных лучей крышку бака (см. патент РФ 2108520, F 24 J 2/04, 1996).

Известен также солнечный воздухонагреватель, включающий коллектор, светопрозрачное покрытие, двухслойный аккумулятор тепла (наиболее близкий аналог, см. патент РФ 2193147, F 24 J 2/24, 2/34, 2001).

Недостатком приведенных конструкций является недостаточная эффективность действия и неудобство в эксплуатации, особенно в случае выполнения солнечного аккумулятора переносным. Двухслойный (песчано-гравийный) аккумулятор медленнее и не в полной мере воспринимает поступающую солнечную радиацию и обладает более низкими теплоинерционными характеристиками по сравнению с веществами с фазовым переходом.

Целью предлагаемого технического решения является устранение указанного недостатка.

Указанная цель достигается тем, что в солнечном аккумуляторе тепла, содержащем корпус, светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель, наполнитель аккумулятора тепла, теплоизоляцию, согласно изобретению наполнитель аккумулятора тепла помещен в съемный герметичный контейнер, установленный в корпусе с поджатием к теплоприемной панели откидывающейся крышкой через теплоизоляцию.

При этом в солнечном аккумуляторе наполнителем аккумулятора тепла может является вещество с фазовым превращением.

Корпус съемного герметичного контейнера изготовлен из материала с высокой теплопроводностью, например из металла (сплавов алюминия), что позволяет эффективно передавать тепло от нагретой солнечным излучением теплоприемной панели к наполнителю аккумулятора тепла.

Крышка корпуса солнечного аккумулятора тепла выполнена откидывающейся для извлечения нагретого герметичного контейнера и использования его в бытовых условиях.

Установленная между герметичным контейнером и откидывающейся крышкой теплоизоляция сокращает утечки тепла через крышку корпуса. В качестве теплоизоляции использован пенопласт (пенополистирол и т.п.) или подобный ему материал с малым коэффициентом теплопроводности.

При этом толщина теплоизоляции выбрана немного больше — на 3-5% от номинального размера для поджатия контейнера с наполнителем аккумулятора тепла к теплоприемной панели откидывающейся крышкой. Таким образом обеспечен надежный контакт между теплоприемной панелью и контейнером и, следовательно, малое термическое сопротивление между ними.

Для повышения эффективности действия предложенного устройства в качестве наполнителя аккумулятора использовано вещество с фазовым превращением в диапазоне температур ~20-100°С. Применение такого наполнителя позволяет аккумулировать в герметичном контейнере в несколько раз (2-3) больше тепла по сравнению с обычным наполнителем, поглощающим тепловую энергию за счет теплоемкости. Конструкция контейнера выполнена герметичной, т.к. наполнитель при нагреве меняет фазовое состояние — из твердого превращается в жидкое, а при охлаждении — наоборот.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом.

В корпусе 1 с откидывающейся крышкой 2 и светопрозрачным защитным экраном 3 установлена теплоприемная панель 4, герметичный контейнер 5 с наполнителем 6 аккумулятора тепла и теплоизоляция 7.

Функционирование предложенного устройства происходит следующим образом. Солнечное излучение, проходя через светопрозрачный защитный экран, нагревает теплоприемную панель и герметичный контейнер с наполнителем аккумулятора тепла. Наполнитель аккумулятора, нагреваясь, переходит из твердого состояния в жидкое и накапливает при этом тепловую энергию. При интенсивном солнечном излучении контейнер с аккумулятором тепла нагревается в течение 1,5-2 часов. После этого контейнер извлекают из корпуса и используют в бытовых условиях, например, для подогрева палатки, юрты и т.п. На место извлеченного контейнера ставится запасной.

Следует отметить, что контейнер с наполнителем аккумулятора тепла можно нагревать любым источником тепла (печь и т.п.).

В рамках данного изобретения авторами разработан, выполнен в металле и испытан солнечный коллектор-аккумулятор со всеми описанными признаками.

Корпус герметичного контейнера изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т. В качестве наполнителя аккумулятора тепла использован парафиносодержащий состав с температурой плавления ~60°С. Поверхность теплоприемной панели со стороны солнечных лучей покрыта селективным покрытием с высоким значением коэффициента поглощения солнечного излучения и малым значением степени черноты.

Технико-экономическая эффективность представленного устройства заключается в том, что солнечный коллектор-аккумулятор удобен в эксплуатации — герметичный контейнер с наполнителем аккумулятора тепла занимает небольшой объем, быстро нагревается, легко извлекается из корпуса и продолжительное время служит для обогрева различных помещений.

1. Солнечный аккумулятор тепла, содержащий корпус, светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель, наполнитель аккумулятора тепла, теплоизоляцию, отличающийся тем, что наполнитель аккумулятора тепла помещен в съемный герметичный контейнер, установленный в корпусе с поджатием к теплоприемной панели откидывающейся крышкой через теплоизоляцию.

2. Солнечный аккумулятор тепла по п.1, отличающийся тем, что наполнителем аккумулятора тепла является вещество с фазовым превращением.

Расчет и устройство теплоаккумулятора солнечного коллектора. Солнечный обогрев дома.

Теплоаккумулятор призван накопить излишнее тепло, выработанное солнечным коллектором, и равномерно распределить его в течении суток или даже нескольких дней. Делать солнечный коллектор без какого либо теплового аккумулятора нет большого смысла (разве что в расчете на тепловую инерционность дома). Но по логике, следует делать такой комплекс из теплового аккумулятора и солнечного коллектора, который бы обеспечивал бы дом теплом хотя бы одну ночь (после солнечного дня или хотя бы нескольких солнечных часов). А лучше — в течении нескольких дней после хотя бы одного солнечного дня.

Вместе с тем, не стоит наивно надеяться только на солнечный обогрев в условиях средней полосы России. Достаточно продолжительный пасмурный период с октября по февраль , короткий световой день и маленький угол наклона Солнца делают солнечный обогрев в этот период весьма проблематичным. Поэтому солнечный обогрев следует воспринимать как способ экономии расходов на отопление, а не полную альтернативу традиционному отоплению.

Теплоаккумулятор должен представлять из себя достаточно теплоемкое устройство, способное быстро аккумулировать тепловую энергию, достаточно долго его хранить и отдавать по требованию. Его теплоемкость должна соответствовать как мощности солнечного коллектора, так задачам, стоящим перед теплоаккумулятором. Вообще говоря, на Руси пользовались теплоаккумулятором издревле. Все известна т.н. «русская печь». Это несколько тонн кирпича и достаточно большая камера для горения дров. Будучи интенсивно протоплена в течении нескольких часов, такая печь хранила тепло несколько суток! Чем вам не теплоаккумулятор?

Конструкция теплоаккумулятора определяется физикой процесса. Из солнечного коллектора поступает воздух с температурой 40-60 градусов. Этим воздухом обдувается рабочее тело теплоаккумулятора. Оно нагревается и когда надо, через него начинают продувать воздух, который затем направляют на обогрев помещений.

Давайте рассчитаем, сколько тепла сможет выработать солнечный коллектор (его условный квадратный метр) и какой теплоаккумулятор должен ему соответствовать. Допустим, солнечный коллектор эффективно освещается солнцем 6 часов. За это время на него падает примерно 5 Квт тепловой энергии. Это эквивалентно 18 Мдж. Посмотрим, как нам лучше запасти эту энергию (КПД мы пока не учитываем).

В подавляющем большинстве случаев авторы всевозможных проектов рекомендуют использовать каменно-гравийные теплоаккумуляторы. Это достаточно разумно. Материал вечный, никаким воздействиям не подвержен. Ничего не боится. Но теплоемкость камня = 0,8 Кдж/кг*град. Что бы запасти всю энергию солнечного коллектора, нам потребуется примерно 750 кг. Камней (при условии, что исходная температура камней была 20 градусов.)

750 кг. это не много, где-то 0,3-0,4 кубометра. Но запасенного тепла нам хватит на отопление всего 2-х квадратных метров площади (из расчета 100 ватт/метр) .

5000 Ватт / 24 часа / 100 ватт = 2,08 метра. (и это без учета КПД и всевозможных потерь).

А что бы запасти тепла на сутки для дома в 100 кв. метров, нам потребуется соответственно в 50 раз больший солнечный коллектор и в 50 раз больший теплоаккумулятор. Т.е. солнечный коллектор в 50 кв. метров и аккумулятор на 37,5 тонн ! (Реально — тонн 50). Такой теплоаккумулятор будет занимать объем уже в 20-25 кубометров. И это всего лишь ради отопления на 1 сутки!

Если солнечная погода стоит несколько дней подряд, можно было бы запасти тепла по больше, но второй закон термодинамики гласит, тепло не передается от более холодного тела к более теплому в обычных условиях. Т.е. как только теплоаккумулятор нагреется до температуры обдувающего его воздуха, он перестанет поглощать и накапливать тепло. Сделать теплоаккумулятор более теплоемким можно либо дальнейшим его наращиванием по объему, либо применением более теплоемких материалов.

Самым теплоемким (и бесплатным) материалом является вода. Ее теплоемкость ~ 4.2 Кж/кг*град. Это в 5,25 раз больше, чем у камня. Т.е. для того условного метра солнечного коллектора нам потребуется не 750 кг камня, а примерно 150 литров воды. (для суточного аккумулятора и 50 метрового солнечного коллектора соответственно ок. 7,5 тонн воды. ).

Но если организовать теплообмен между воздухом и камнями проще простого (проложил воздуховод и завалил его камнями, воздух будет проходить в щели между камнями и обмениваться с ним теплом). То сделать теплообменник вода / воздух гораздо сложнее. Однако тут есть весьма интересное и остроумное решение — создать искусственные камни с теплоемкостью воды! Как? Да разлить воду по пластиковым ПЭТ бутылкам и канистрам! Многочисленные зазоры между ними будут тем самым теплообменником вода/воздух.

Конечно, бутылок и канистр потребуется весьма много для нескольких десятков тонн воды, но зато не потребуется делать никакого теплообменника.

Разумеется, человек, задумавший устроить у себя солнечное отопление из коллектора и теплоаккумулятора, скорее всего будет исходить не из того, что надо или хочется, а из того, что он может себе позволить сделать. Если есть крыша определенного размера, из которой можно сделать солнечный коллектор, то вряд ли он будет делать солнечный коллектор специально (большего размера или в стороне от дома). То же и с теплоаккумулятором. Это ведь не бочка с водой для садового душа. Тут счет идет на кубометры. И устроить теплоаккумулятор с бухты – барахты вряд ли удастся. Место для него надо заранее резервировать на стадии проектирования дома. Чем я собственно и занимаюсь…

Итак, в моем случае , согласно проекта под теплоаккумулятор выделяется примерно 60-65 кубометров подвала. Тут можно будет разместить около 50 тонн воды (в канистрах по 10-20 литров и т.п.) В теплооборот будут так же включены примерно 30 куб. метров бетона (ок. 50 тонн) составляющих стены подвала теплоаккумулятора (их планируется утеплить с другой стороны для уменьшения теплопотерь аккумулятора).

Таким образом максимальная теплоемкость моего теплоаккумулятора (для перепада температур в 40 градусов составит 50.000 кг * 4,2 КДж * 40 + 50.000 кг * 0,8 КДж * 40 = 10.000 Мдж (10 ГДж). Это эквивалентно сжиганию примерно 600-1000 кг отборных дров (1,5-2 кубометра). Больше этого количества тепла я не смогу запасти даже теоретически. Если учесть что отопления потребуется порядка 100 ватт/час/кв.м , (0,36 Мдж), то я смогу этим теплом обогреть 27000 кв.м/час. (т.е. либо 100 кв.метров в течении 270 часов, либо 200 кв. метров в течении 135 часов, либо 25 метров в течении 1000 часов и т.д.). Разумеется это зависит от конструкции дома и организации теплоаккумулятора и системы воздушного отопления.

Теперь давайте рассчитаем, за какое время мой солнечный коллектор сможет нагреть этот теплоаккумулятор. Солнечный коллектор теоретически может иметь площадь до 100 кв. метров. Допустим, с каждого метра я смогу снимать по 500 Ватт энергии в час. (это примерно 1,8 МДж/час. Соответственно со всего коллектора 180 Мдж/час. Что бы зарядить весь теплоаккумулятор «по самую крышку» соответственно потребуется 10000 / 180 = 55-60 солнечных часов. В реальности — гораздо больше, т.к. у теплоаккумулятора есть и теплопотери. Возможно, в реальности он никогда и не зарядится на полную силу.

Получить 60 солнечных часов подряд , как понимаете, совершенно невозможно. Максимальное время, в течении которого солнечный коллектор – крыша будет работать – это 5-6 часов в лучшем случае. Крыша ориентирована на юг и утром и вечером ждать от нее эффективной работы не стоит. Но за 5-6 часов она способна выдать около 1000 МДж тепла (т.е. зарядить теплоаккумулятор на 1/10 его емкости). Правда есть небольшой резерв в виде пристроенного к дому зимнего сада. Площадь его крыши примерно 50 кв. метров, возможно с него тоже можно будет получать определенное количество тепла.

Напрашивается вывод: Необходимо разделить теплоаккумулятор на несколько «банок» — отделов. Тогда можно будет управлять им по значительно более гибкому алгоритму. Если солнечный день — случайность, и их всего 1-2, то в течении его и зарядить 1-2 «банки» (например 20%) аккумулятора. Зато практически полностью. Если же установилась хорошая погода надолго, то последовательно заряжать все остальные банки теплоаккумулятора. Так же следует и расходовать тепловую энергию, по очереди «разряжая» отделы аккумулятора.

Для такой организации «банки» должны быть серьезно теплоизолированы друг от друга, но иметь возможность объединятся. Гибкая система управления позволит наиболее полно использовать потенциал солнечного отопления.

Другой вывод, который можно сделать из вышеприведенных расчетов: При правильной организации солнечного коллектора и теплоаккумуляторы 1 условный квадратный метр солнечного коллектора за один свой «рабочий час» (когда он освещен солнцем) вырабатывает тепловую энергию в количестве достаточном для отопления с коэффициентом 5-8 . (Для условной величины расходов на отопление 100 Ватт/кв.метр). Чем лучше утеплен дом, более качественно устроен тепловой коллектор, теплоаккумулятор и коммуникации, тем выше будет этот коэффициент.

Можно даже вывести простую формулу некоего теплового баланса.

Кк * Sск * Тсолн. = Sот * Тоб, где

Кк — коэффициент конверсии тепла, 5…8 (не более 8 принципиально при КПД 100%)

Sск — площадь солнечного коллектора (кв.м)

Тсолн — время эффективного освещения коллектора солнцем. (часы)

Soт — обогреваемая площадь помещения. КВ м.

Тоб — время обогрева помещения (час.)

Исходя из своих возможностей или потребностей и располагая определенными исходными данными, можно рассчитать все остальные параметры солнечного обогрева.

Например, у вас есть возможность сделать солнечный коллектор площадью 10 кв. м, который будет освещен в течении 5 часов. Получим 5..6 * 10 * 5 = 250…300. Соответственно, мы сможем отапливать 25 кв.м. в течении 10-12 часов. Или 10 кв. м в течении суток.

Очевидно, что имея небольшой солнечный коллектор, нет смысла закладывается на отопление всего дома. Лучше качественно обогревать 1 помещение . Это уже даст существенное экономию топлива или электроэнергии. Но приведенные расчеты доказывают, что организовывать солнечный обогрев в средней полосе ЕЧ России как основной — достаточно проблематично. А вот использовать его как вспомогательный — весьма перспективно.

Посудите сами. В конце ранней осени, после бабьего лета, после теплых ясных дней, теплоаккумулятор большой емкости будет заряжен практически полностью. Это обеспечит очень существенную экономию топлива в период практически до конца ноября. В декабре и январе солнечный обогрев работать не будет, а начиная примерно с середины февраля солнечные дни уже не редкость и солнечный обогрев вновь начнет набирать обороты. C середины марта солнечный обогрев может сделать уже ненужным использование традиционного топлива. Таким образом, мы сокращаем отопительный сезон всего до 2-3 месяцев, вместо 6-7! Экономия топлива минимум 50% . Учитывая практически вертикальный рост цен на энергоносители окупаемость затрат на создание солнечного обогрева составит максимум несколько лет.

Константин Тимошенко

Гравий в качестве аккумулятора солнечного тепла . / ППУ XXI ВЕК – Напыление ППУ

Обычно в качестве аккумулятора солнечного тепла используют воду. Однако теплоаккумулирующими материалами могут служить гравий, щебень, кирпич, бетон и другие материалы. Обычно гравий в качестве теплоаккумулятора используют в солнечных отопительных системах с воздушными солнечными коллекторами.

Такие теплоаккумуляторы широко применяются в США в системах, в которых комбинируют несколько методов аккумулирования тепла. 

Для аккумулирования одинакового количества теплоты гравий потребует в 2,5 раза большего объема, поэтому основным недостатком гравийного теплоаккумулятора являются лишь его большие размеры, а достоинством — возможность размещения непосредственно под полом помещения.

Если рационально использовать подпольное пространство, то можно найти достаточно места для размещения гравийного теплоаккумулятора и обеспечить эффективный обогрев помещения через пол. В этом случае может возникать значительное сопротивление воздушному потоку, поэтому необходимо в каждом конкретном случае использовать какое-либо устройство, обеспечивающее равномерную циркуляцию воздуха.

Рис. 1. Общий вид гравийного теплоаккумулятора:

1 — крышка; 2 — бункер; 3 — бетонный блок; 3 — теплоизоляция; 4 — сетка; 5 - гравий (галька).

Обычно сопротивление воздушному потоку в гравийном теплоаккумуляторе определяется расчетным путем. Чтобы в солнечном доме, имеющем под полом слой гравия толщиной 30 см, аккумулировать 200 МДж тепла и удерживать это тепло при температуре 20°C. необходима площадь пола не более 20 м².

Этого тепла будет достаточно для отопления помещений 1-го этажа: гостиной, столовой и спальни. Диаметр используемых частиц гравия (гальки) обычно 4…8 см.

Если бы удалось подобрать частицы гравия одного диаметра, то независимо от их размера получаемый тепловой эффект был бы на 50% больше и не было бы помех при циркуляции воздуха. Нельзя смешивать мелкий и крупный гравий.

Гравийные аккумуляторы могут использоваться и летом в системе кондиционирования. Однако при этом существует опасность заиндевения гравия. Если к расположенному под полом гравийному теплоаккумулятору подвести систему труб с циркулирующей водой и устроить простейший бак-накопитель горячей воды, то зимой, когда наблюдается максимальное потребление горячей воды, эта система может служить для предварительного подогрева воды в системе солнечного горячего водоснабжения.

Монтаж таких устройств позволяет повысить суммарный коэффициент использования солнечного излучения в системах солнечного горячего водоснабжения и сократить размеры солнечного теплоаккумуляторов.

Солнечное отопление и горячее водоснабжение (ГВС)

Солнечное отопление – это технологичное решение для тех, кто задумался о сокращении расходов на оплату тепловой и электроэнергии! Хочет самостоятельно регулировать начало сезона отопления! Желает пользоваться горячей водой  не тратясь на ее подогрев! Установка улавливает и преобразовывает солнечное излучение в бесплатную тепловую энергию, которую можно использовать для бесплатного отопления и подогрева воды.

Покупая системы солнечного отопления, Вы получаете:

Экономию семейного бюджета. Купить нашу ситему солнечного отопления, означает сократить колоссальные расходы на горячее водоснабжение и отопление, как минимум, на 30 лет, а сэкономленные средства вложить в более приятные вещи: отдых, ремонт в доме или покупку нового автомобиля!

Значительные объемы горячей води и бесплатную энергию для отопления. Устанавливая системы солнечного отопления, Вы дарите себе и своим близким возможность пользоваться бесплатным отоплением и горячей водой, ведь с этого момента за подогрев воды больше не нужно платить. Энергию Солнца можно использовать и для  подогрева воды в бассейнах различного объема, и для отопления помещений большой квадратуры. Экономьте свои деньги! Не доставляйте радости поставщикам энергии! Солнце всегда дешевле!

Независимость от коммунальных служб и погодных условий. Система солнечного отопления эффективно работает и в пасмурную, дождливую погоду, и при отрицательных температурах. Теперь сезон отопления и горячего водоснабжения открыт круглогодично вне зависимости от решения коммунальных служб, их профилактик, ремонтов и т.п.!

Почему покупать у нас — это правильно ???

Нет, не потому, что у нас самые низкие цены! А потому, что мы на протяжении многих лет продаем и устанавливаем системы солнечного отопления и ГВС. Гарантируем безотказную работу. Благодаря огромному практическому опыту, мы знаем как это работает, что дает. Мы всегда профессионально подберем, доставим и установим нужное оборудование!

НАМ ДОВЕРЯЕТ «МОЭСК»

 

 

Особенности систем солнечного отопления DUALEX

Максимальная эффективность. В конструкцию системы входят тепловые трубки. Их цилиндрическая форма позволяет улавливать солнечные лучи под различным углом каждую минуту светового дня, преобразовывая их в тепловую энергию. Солнечные лучи попадают как на переднюю, так и на заднюю поверхность трубок, что улучшает продуктивность работы.

Надежность. В системах солнечного отопления DUALEX используются качественные и экологически чистые материалы, что в сочетании с точной сборкой делает конструкции крепкими и надежными, способными нормально функционировать при любых погодных условиях. Гарантией высокого качества является срок службы: каждая система DUALEX надежно работает в течение 25-30 лет.

Простота монтажа и эксплуатации. На протяжении всего срока эксплуатации уход за системой не требует дополнительных расходов! Для того чтобы установка работала эффективно, с нее достаточно лишь сметать возможную пыль.

Преимущества DUALEX

# Широкий выбор конструкций # Индивидуальный подход к каждому клиенту # Надежность

# Гарантия качества  # Быстрая доставка и установка     # Предоставление консультаций

Широкий выбор конструкций Индивидуальный подход к каждому Надежность Гарантия качества Быстрая доставка и установка Предоставление консультаций

Воздушный солнечный коллектор с аккумулятором тепла

На чтение 19 мин Просмотров 22 Опубликовано 17.08.2019

Отопление частного дома можно организовать различными способами. Чаще всего это подключение к центральной системе теплоснабжения или установка индивидуальных отопительных приборов, которые нагревают теплоноситель путем сжигания газа, жидкого или твердого топлива. Реже владельцы небольших коттеджей для обогрева используют электрические котлы и различные типы тепловентиляторов, направляя воздушный поток в жилое помещение.

Сегодня существуют альтернативные методы отопления, например, устройства, которые превращают солнечное излучение в тепловую энергию. Солнечные коллекторы для отопления дома достаточно эффективны, полностью экологичны и не требуют особого ухода.

Почему использовать солнечное отопление выгодно

Система отопления от солнечных коллекторов имеет несколько очень значимых достоинств:

• солнечное тепло бесплатно и им можно пользоваться во всех уголках планеты, несмотря на климатические условия;
• использование энергии солнца предполагает затраты исключительно на приобретение установки, все остальное время солнечный коллектор работает полностью автономно;
• конструкция системы автономного отопления с солнечным коллектором достаточно проста, поэтому ее можно даже сделать своими руками.

Важно понимать, что самодельный коллектор и аккумулятор тепловой энергии будет иметь достаточно низкий КПД по сравнению с промышленными образцами, но все равно позволит значительно сэкономить средства на горячем водоснабжении дома.

Самый простой расчет показывает, что коллектора площадью 3 м2 достаточно не только для создания источника горячей воды в небольшом частном доме, но и для его отопления в период межсезонья. Это ощутимо снижает затраты на использование энергоресурсов, а следовательно, и ваш семейный бюджет.

Устройство гелиоустановки

Солнечные коллекторы для отопления и создания горячего водоснабжения дома состоят из следующих компонентов:

• устройство для нагрева воды или другого теплоносителя;
• аккумулятор тепловой энергии;
• контур для перемещения тепловой энергии теплоносителем.

Солнечный коллектор для обустройства отопления представляет собой систему трубок с теплоносителем, в качестве которого выступает воздух, вода, пропилен-гликоль или любая другая незамерзающая жидкость. В качестве аккумулятора тепловой энергии выступает емкость со змеевиком, по которому циркулирует поступивший из коллектора теплоноситель. Тепловой контур служит для объединения устройства нагрева воды, воздуха или антифриза с аккумулятором тепла.

Принцип работы

Солнечная энергия попадает в коллектор, где нагревает теплоноситель, который циркулирует в гелиоустановке. После нагрева он попадает в аккумулятор тепла, где происходит теплообмен между змеевиком и водой. Нагретая вода из аккумулятора поступает в систему отопления или горячего водоснабжения дома.

Циркуляция воды в гелиосистеме происходит самотеком или при помощи циркуляционного насоса (в зависимости от назначения системы и способа установки бака-аккумулятора по отношению к коллектору).

Естественное движение воды или воздуха по контуру обусловлено принципом конвекции, когда после нагрева жидкость стремится вверх от коллектора к аккумулятору тепла.

Если брать в расчет, что гелиосистема будет использоваться только для горячего водоснабжения, то кроме солнечного коллектора и аккумулятора тепла больше ничего не нужно. Если систему планируется использовать для отопления дома, то для прокачки теплоносителя через радиаторы может потребоваться насос.

Типы поглотителей тепла

Современная промышленность освоила производство нескольких типов нагревательных теплообменников для солнечных отопительных систем:

Все они работают по одному принципу, но имеют некоторые конструктивные особенности и разницу в КПД. Для правильного выбора того или иного типа гелиоустановки необходимо знание их особенностей и грамотный расчет. Рассмотрим каждый тип солнечного коллектора более подробно.

Плоский нагревательный теплообменник

Такой тип солнечного коллектора для отопления состоит из плоского, теплоизолированного с трех сторон короба, заполненного адсорбирующим тепло веществом. Внутри этого вещества находится теплообменник из тонкостенных металлических труб, по которому циркулирует вода или пропилен-гликоль.

Конструкция плоского поглотителя солнечной энергии и расчет необходимых его параметров достаточно просты, поэтому именно этот вид «нагревателя», используют для изготовления отопительной гелиосистемы своими руками.

Вакуумный теплообменник

Вакуумный поглотитель тепла состоит из стеклянных труб, внутри которых находятся трубки меньшего диаметра с адсорбентом, аккумулирующим солнечное тепло. Внутри трубок с адсорбентом проложены металлические трубочки, по которым движется теплоноситель.

Между стеклянной трубкой большого диаметра и трубкой с аккумулирующим тепло веществом создан вакуум, который препятствует утечке тепла из адсорбента в атмосферу.

КПД такой установки самый высокий среди всех типов солнечных коллекторов. Исходя из мощности устройства производят расчет его необходимой площади для нагрева теплоносителя.

Воздушный коллектор для обогрева дома

В таком устройстве в качестве теплоносителя используется воздух, циркуляция которого осуществляется как естественным способом, так и при помощи вентилятора. Как правило, воздушный коллектор используют исключительно для обогрева в период межсезонья небольших дачных построек, так как такая конструкция имеет достаточно низкий КПД. Кроме того, для нагрева воды и создания горячего водоснабжения дома эта установка не подходит, поэтому используется нашими соотечественниками крайне редко.

Несмотря на низкую эффективность воздушный поглотитель имеет два достоинства: простую конструкцию и отсутствие теплоносителя (воды), а вместе с ней и коррозии, течей, проблем с замерзанием и пр.

Создание солнечного коллектора своими руками

Для создания плоского поглотителя солнечного тепла потребуется достаточно сложный расчет необходимой площади теплообменника, объема емкости и длины контура. Самостоятельный расчет требует соответствующих знаний, опыта и исходных данных. Для упрощения задачи вам будет представлено три основных типоразмера гелиосистемы:

• объем аккумуляторного бака в 100-150 л длина трубы теплообменника 7 м, площадь коллектора 2 м2;
• объем аккумуляторного бака в 150-300 л длина трубы теплообменника 9 м, площадь коллектора 3 м2;
• объем аккумуляторного бака в 200-400 л длина трубы теплообменника 12 м, площадь коллектора 4 м2.

Инструкция по самостоятельной сборке.

Короб

Сделать его можно из фанерного или пластикового листа и деревянных реек, закрепленных по его периметру в качестве бортов.

Теплообменник

Для его изготовления необходимо сварить решетку или согнуть из металлических труб, которые и будут использоваться для нагрева теплоносителя. Готовое изделие закрепить скобами на второй лист пластика или фанеры и окрасить черной матовой краской.

Приклеить утеплитель по всей площади короба.

Сборка

Установить теплообменник в подготовленный короб. Сверху поглотителя установить стекло, предварительно промазав места его соприкосновения с коробом герметиком на основе силикона. Самодельный поглотитель солнечного тепла готов.

Изготовление аккумулятора тепла

Из медной трубы следует сделать змеевик, после чего поместить его в подготовленную емкость, предварительно проделав отверстия для входа и выхода теплоносителя. Вывести через уплотнения из аккумулятора концы теплообменника.

Утепление

Необходимо тщательно утеплить бак-аккумулятор минеральной ватой.

Для сохранности утеплительного слоя закрыть его листом оцинкованного металла, создав своеобразный «чехол».

Монтаж

Следует изготовить опорную конструкцию под аккумулятор тепла и установить рядом с ним готовый солнечный коллектор. После чего все устройства соединить тепловым контуром.

Запуск системы

Для нагрева воды и подачи ее в здание следует заполнить систему антифризом, а аккумулятор тепла водой. Через 20-30 минут вода в баке начнет нагреваться, после чего ее можно использовать для отопления помещения или других нужд.

Воздушные коллекторы в зимнее время года сокращают расход топлива (газа, электричества), на котором работает котёл до 52%. Летом модуль работает на поддержание влажностного микроклимата и кондиционирование помещений.

Как устроен воздушный коллектор

Принцип работы основан на простых физических законах. Солнечные лучи проникая в атмосферу земли практически не отдают тепла. Нагрев воздуха происходит после того как ультрафиолет попадает на твердые поверхности. Под действием солнечных лучей грунт и другие предметы нагреваются. Происходит теплообмен.

Устройство воздушных солнечных коллекторов использует описанное явление, аккумулируя тепло и направляя его в помещение. В конструкции присутствуют следующие детали:

• корпус с теплоизоляцией;
• нижний экран, абсорбер;
• радиатор с аккумулирующими ребрами;
• верхняя часть из обычного стекла или поликарбоната.

В конструкцию коллектора входят вентиляторы. Основное предназначение: нагнетание нагретого воздуха в жилые помещения. В процессе работы вентиляторов создается принудительная конвекция, за счет которой холодные воздушные массы поступают в блок коллектора.

Принцип обогрева и его эффективность

Абсорберы воздушных коллекторов делают черного цвета, для увеличения интенсивности нагрева под воздействием солнечного излучения. Температура воздуха в коллекторе достигает 70-80°С. Тепла с избытком хватает для полноценного обогрева помещений небольшой площади.

Принцип действия воздухонагревателя следующий:

• воздух закачивается с улицы в корпус коллектора принудительным способом;
• внутри блока установлены абсорберы, отражающие тепло, поднимающие температуру внутри ящика до 70-80°С;
• происходит нагрев воздуха;
• разогретые воздушные массы принудительно нагнетаются в отапливаемые помещения.

В заводских моделях обеспечение циркуляции воздуха осуществляется при помощи вентиляторов, подключенных к солнечным батареям. Как только ультрафиолетовое излучение становится достаточно интенсивным, чтобы выработать некоторое количество электроэнергии, турбины включаются. Коллекторы начинают работать на обогрев. Зимой интенсивность излучения Солнца снижается.

Дом не сможет полностью функционировать на солнечном воздушном отоплении. Воздухонагреватели используются как дополнительный источник тепла. При правильных расчетах одна установка (данные взяты из технических характеристик воздушных солнечных коллекторов Solar Fox) обеспечит следующую экономию, за отопительный сезон:

• газ до 315 м³;
• дрова до 3,9 м³.

Система солнечного воздушного обогрева компенсирует около 30% необходимого для здания тепла. Полная окупаемость достигается в течение 2-3 лет. Если учесть, что принцип работы связан с использованием установки и для кондиционирования воздуха, а в течение года вырабатывается около 4000 кВт, целесообразность использования становится еще очевиднее.

В странах ЕС широкое распространение получило конструкторское решение «солнечная стена». Конструкция заключается в следующем:

• в здании одна из стен изготавливается из аккумулирующего материала;
• перед панелью устанавливается стеклянная перегородка;
• в течение дня тепло аккумулируется, после чего отдается в помещение ночью.

Для усиления конвекции, солнечный коллектор делается не во всю стену. Вверху и внизу предусматривают раздвижные шторки.

Солнечный коллектор — водяной или воздушный

Каждый из нагревателей эффективен, отличается только основное предназначение и принцип работы:

• Водяной коллектор — применяется для обеспечения потребностей в ГВС и низкотемпературных систем теплых полов. Эффективность работы в зимний период существенно снижается. Вакуумные и панельные коллекторы косвенного нагрева, подсоединенные к буферной емкости, продолжают аккумулировать тепло в течение всего года. Главный недостаток, высокая стоимость гелиоколлектора, монтажа и обвязки.
• Воздушный вентиляционный коллектор — отличается простой конструкцией и устройством, которое при желании можно изготовить самостоятельно. Основное предназначение: обогрев помещений. Конечно, существуют схемы, позволяющие использовать полученное тепло для ГВС, но при этом эффективность воздушных коллекторов падает практически вдвое. Преимущества: низкая стоимость комплекта и установки.

Солнечные воздушные системы отопления работают только днем. Нагрев воздуха начинается даже в пасмурную погоду, при сильной облачности и во время дождя. Работа воздухонагревателей зимой не прекращается.

Как и из чего сделать воздушный коллектор

Главное достоинство солнечных воздухонагревателей, в простоте конструкции. При желании можно сделать самодельное солнечное воздушное отопление частного дома, затратив на это минимум средств.

Для начала потребуется сделать расчеты производительности, затем подобрать тип конструкции и выбрать материалы для изготовления. Корпус и абсорберы можно изготовить из подручных средств, существенно сэкономив бюджет.

Как сделать расчёты коллектора

Вычисления выполняются следующим образом:

• каждый м² от площади коллектора даст 1,5 кВт/час тепловой энергии, при условии, что будет солнечная погода;
• для полноценного обогрева помещения требуется 1 кВт тепловой энергии на 10 м².

Приблизительный расчет мощности покажет, что для отопления жилого дома на 100 м² необходимо установить коллекторы общей площадью 7-8 м².

Для обеспечения максимальной производительности надо определить сторону дома с максимальной интенсивностью ультрафиолетового излучения. Практика показывает, что оптимальное место для установки — это скат кровли или южная стена здания.

Типы конструкции коллектора

В домашних условиях выполняют сборку неразборного корпуса. Это деревянный ящик с абсорбером, радиатором и верхним прозрачным экраном. При изготовлении используют подручные средства: профнастил, алюминиевые пивные банки, обычное стекло.

Материалы для изготовления коллектора

Для нагнетания воздуха в отапливаемые помещения устанавливают 2-4 вентилятора. Подойдут кулеры, снятые со старого компьютера.

Установка и подключение воздушного коллектора

Для монтажа воздухонагревателей нужно подготовить поверхность стены, сделав 4 отверстия под воздуховоды. Внутри здания гофрированные трубы разводят по комнатам, направляя в сторону пола.

Самодельные воздушные солнечные коллекторы для отопления дома подключаются к электросети, через трансформатор. При наличии навыков в качестве источника питания можно установить аккумулятор на солнечных батареях.

Теплоэффективность изготовленных своими руками воздухонагревателей существенно ниже, чем у заводской продукции. При отсутствии специальных навыков лучше использовать готовые модули. Как показывают реальные отзывы о коллекторах, оптимальный вариант для покупки из представленных на отечественном рынке: Solar Fox, Солнцедар и ЯSolar-Air.

Воздухонагреватели не используются в качестве основного источника тепла и выполняют исключительно вспомогательную функцию. В домах с солнечными воздушными коллекторами изначально устанавливают котел, покрывающий потребности в отоплении на 100%.

При грамотных расчетах и интенсивной эксплуатации, вложения окупятся в течение 1-2 лет. В случае самостоятельного изготовления коллектора, затраты вернутся уже в середине первого отопительного сезона.

Пошаговая инструкция изготовления воздушного коллектора

Изготовление солнечного воздухогрейного коллектора из квадратной трубы:

Из нескольких теплоаккумулирующих сред для теплоаккумуляторов воздушного типа наиболее известными и употребимыми являются камни. Хотя применение этого материала кажется сравнительно дешевым и легким решением, однако, это не всегда так. Наиболее существенным преимуществом камней является их низкая стоимость (если камней действительно много).

В зависимости от конструкции и размеров отсека для камней могут потребоваться камни размером до 100 мм. На 1 м 2 коллектора требуется 35. 180 кг камней из-за их малой теплоемкости. Огромное количество камней усложняет проблему их транспортировки и перегрузки, а также требует отсека, достаточного по размеру, чтобы вместить их. При 30% пустот объем камней, необходимый для аккумулирования того же количества тепла, что и бак с водой, должен быть в 2,5 раза больше.

Большая периметральная площадь этих отсеков-аккумуляторов влечет за собой более высокие строительные расходы и большие потери тепла. Потенциальная возможность более значительных потерь тепла из больших отсеков с камнями по сравнению с меньшими по размеру водяными баками, тем не менее, компенсируется сравнительно медленным естественным движением тепла через камни в отличие от постоянного движения воды внутри большого бака при изменении температуры (например, из-за потери тепла).

Одним из серьезных ограничений в использовании камней является недостаточность их универсальности как рабочих тел для других целей помимо аккумулирования тепла, они, например, не могут служить теплоносителем для подогрева воды, охлаждения и даже отопления жилого помещения. Один из немногих и наиболее распространенных способов приготовления горячей воды в этом случае заключается в установке небольшого (0,1. 0,4 м 3 ) неизолированного водяного бака между камнями. Теплообмен протекает медленно, но продолжается круглые сутки.

Методы солнечного охлаждения применимы тогда, когда камни удерживают прохладу для дальнейшего использования. Эту прохладу можно получить путем:

• циркуляции холодного ночного воздуха;
• воздуха, охлажденного ночной радиацией;
• воздуха, охлажденного внепиковыми холодильными компрессорами.

Воздушные теплоаккумулирующие системы ограничивают способ передачи тепла окружающему пространству.

На рис. 1 показан купольный дом, спроектированный фирмой Тотал энвайронментал экшн, в котором отсек с камнями расположен в пределах помещения. Передача тепла из отсека в помещение происходит медленно путем естественной конвекции из комнаты в нижнюю часть отсека и оттуда через верх, а при необходимости, при помощи небольших вспомогательных вентиляторов (куполообразная форма была выбрана заказчиком, а отдельно стоящий солнечный коллектор указывает на ограничения, накладываемые строительным участком).

Воздушные солнечные коллекторы (расположенные отдельно) и теплоаккумулятор с твердой засыпкой в купольном доме:
A – панели солнечного коллектора;
B – контейнер теплоаккумулятора с кирпичным или каменным щебнем;
C – подземный изолированный канал для подачи воздуха

Местоположение теплового аккумулятора с камнями может явиться серьезным ограничением в их использовании. Если теплоаккумулятор размещается в подвале здания, то расходы на сооружение отсека необязательно должны быть включены в общую стоимость системы солнечного теплоснабжения. Однако, если под тепловой аккумулятор отводится подвал, предназначенный для других целей, или жилое помещение, то стоимость сооружения такого отсека добавляется к стоимости системы. На рис. 2 показано использование контейнера-аккумулятора с засыпкой из камней в качестве архитектурного элемента здания. В доме Джорджа Лефа (Денвер, Колородо) этот способ применен довольно удачно. Однако из-за большого веса контейнеров или отсеков для камней под ними должны предусматриваться прочные фундаменты.

Засыпка, содержащаяся в вертикальном цилиндре из фиброкартона

На рис. 3 представлен разрез дома в Бостоне, выполненного по проекту фирмы Тотал энвайронментал экшн на средства фирмы АИА Рисерч корп. Американского института архитекторов. Площадка для дома представляет собой крутой северный склон холма с высокими зданиями к югу. Солнечный коллектор устанавливается как можно выше, чтобы не попасть в тень от соседних зданий. Вследствие своих больших размеров и массы теплоаккумулирующий отсек с камнями находится на нижнем этаже здания.

Разрез солнечного дома (Бостон)

В проекте предусмотрен довольно простой способ передачи тепла к отсеку и от него. На рис. 4, где показана схема солнечной системы, теплый воздух из солнечного коллектора поступает в верхнюю часть отсека. Он затягивается внутрь, выходит снизу и поступает обратно в коллектор. Для обогрева дома прохладный воздух поступает в нижнюю часть отсека и нагревается по мере подъема между камнями. Самые теплые камни наверху нагревают воздух до наибольшей степени. На рис. также показан цикл отопления на жидком топливе, в котором комнатный воздух обходит отсек с камнями. Обычно, аккумуляторный отсек не должен нагреваться отопителем, за исключением случаев, когда он располагается внутри жилого помещения.

Схема системы солнечного теплоснабжения для дома в Бостоне;
A – режим поглощения солнечной энергии. Воздух поступает через дно солнечного коллектора и выходит через верх. Нагретый воздух подается вниз, проходя через тепловой аккумулятор с камнями и нагревая его, и возвращается обратно в коллектор;
B – режим отопления помещения. Воздух засасывается из жилого помещения и поступает в нижнюю часть теплоаккумулятора. При прохождении через камни он нагревается и поступает обратно в жилое помещение;
C – режим дублирующего отопления. Отопитель, работающий на жидком топливе, нагревает воздух, поступающий из жилого помещения через приточную камеру в нижней части теплового аккумулятора. Нагретый воздух поступает в жилое помещение через верхнюю камеру теплоаккумулятора;
D – бак для приготовления горячей воды находится внутри теплоаккумулирующей среды, которая играет роль или нагревателя, или подогревателя в зависимости от уровня температуры теплоаккумулятора

Одна из важных причин того, что теплый воздух подается из солнечного коллектора в верхнюю часть отсека, заключается в стремлении обеспечить температурную стратификацию. Это дает возможность нагревать комнатный воздух до наивысшей возможной температуры при помощи самых теплых камней, находящихся в верхней части отсека. Если теплый воздух будет поступать через низ отсека, даже без перемещения внутри него, то тепло из нижней части распределится равномерно по всему отсеку, что вызовет в нем общее понижение температуры. Подача комнатного воздуха в то же место, что и теплого воздуха из коллектора, будет способствовать этому выравниванию тепла по отсеку, а не нагреву воздуха в целях отопления здания.

Форма отсека теплового аккумулятора имеет особое значение при использовании камней в качестве теплоаккумулирующей среды. Вообще, чем больше расстояние, которое воздуху требуется пройти через камни, тем больше должен быть размер камней для уменьшения перепада давления и снижения необходимой мощности вентилятора. Например, если отсек представляет собой высокий цилиндр (см. рис. 2), то требуются камни большего размера. Если высота цилиндра более 2,5 м, то размер камней должен быть по крайней мере 50 мм; для более высоких цилиндров размер камней должен быть еще больше. Для приземистых, горизонтальных отсеков, которые обычно устанавливаются в подвалах, может подойти гравий диаметром 25. 50 мм (рис. 5).

Форма отсека теплового аккумулятора:
а – вертикальный отсек;
1 – теплый воздух из солнечного коллектора; 2 – размер камней в поперечнике 50. 100 мм; 3 – холодный воздух к коллектору;
б – горизонтальный отсек;
1 – теплый воздух из солнечного коллектора; 2 – холодный воздух к коллектору; 4 – гравий в поперечнике 25. 50 мм; 5 – теплый воздух к дому; 6 холодный воздух из дома

Предлагаемые выше размеры в большей степени зависят от скорости проходящего через камни воздуха. Чем меньше скорость воздуха, тем мельче должны быть камни и тем толще их слой. По сути дела, увеличение перепада давления проходящего через камни воздушного потока прямо пропорционально увеличению скорости воздуха. Разумеется, чем меньше камни в поперечнике, тем больше суммарная площадь поверхности камней, которая получает тепло от воздуха. Вообще, камни или булыжники должны быть достаточно большими, чтобы поддерживать низкий перепад давления при достаточно хорошем теплообмене.

В теплоаккумулирующих системах воздушного типа можно также использовать небольшие контейнеры для воды, которые можно разместить на стеллажах, полках или каким-либо другим способом, чтобы дать воздуху возможность беспрепятственно обтекать их. Такими контейнерами могут являться пластмассовые, стеклянные, алюминиевые емкости, бутыли, банки. Проблема укладки или размещения контейнеров решается разными путями, но, пожалуй, наиболее успешным является установка их на поддоны с последующим продуванием воздуха по горизонтали между поддонами (рис. 6).

Отсек теплового аккумулятора для воздушных систем, в которых применяются небольшие контейнеры с водой:
1 – поступление воздушного потока; 2 – контейнеры с водой; 3 – полки; 4 – выход воздушного потока; 5 – отсек аккумулятора

Можно разместить небольшие контейнеры между балками перекрытий (пустоты здесь выступают в качестве воздушных коробов) или использовать вертикальные пустоты теплоаккумулятора, служащие перегородками между помещениями или элементами наружнымх стен. И опять, при размещении теплоаккумулятора внутри отапливаемого помещения все потери тепла из него поступают в здание. На рис. 7 показан разрез дома, спроектированного фирмой «Тотал энвайронментал экшн» (Миннеаполис, Массачусетс). В этом проекте воздух, циркулируя в замкнутом контуре, проходит вверх через вертикальный, обращенный на юг солнечный коллектор, а затем опускается вниз через вертикальный объем, заполненный небольшими контейнерами с водой.

Вертикальные воздушные солнечные коллекторы и водяной теплоаккумулятор контейнерного типа в Джиллис-хаус:
1 – отсек; 2 – солнечный коллектор

Стену такой конструкции нелегко приспособить для камней, и в этом заключается одно из главных преимуществ контейнеров с водой. Другое преимущество в том, что для воды требуется меньший объем пространства, для аккумуляции того же количества тепла, что и камни. Утечка воды вряд ли вызовет проблемы, поскольку в одном месте протечки потеря воды составит не более нескольких литров.

Проект солнечного дома для Миннеаполиса:
1 – комната отдыха; 2 – общая комната; 3 – спальня; 4 – тепловой аккумулятор; 5 – солнечный коллектор для приготовления горячей воды; 6 – солнечный коллектор; 7 – столовая; 8 – гараж

По контракту с АИА Рисерч корп. фирма Тотал энвайронментал экшн использовала саму конструкцию дома для аккумулирования тепла. Система, показанная на рис. 8, разработана для Миннеаполиса.

Принципиальные схемы системы солнечного горячего водоснабжения .

Солнечный коллектор Сокол

Общие требования к системам солнечного теплоснабжения.

Рекомендуется использовать солнечный коллектор «Сокол» в системах, не требующих слива теплоносителя в зимний период. Теплоносителем в коллекторном контуре может быть химически очищенная вода или, при возможности замерзания, рекомендуется использовать антифризы на основе этилен- или пропиленгликоля, применяемые в системах отопления индивидуальных зданий и содержащих ингибиторы коррозии для алюминиевых сплавов.

Для увеличения срока службы и сохранения высокой эффективности работы в течение всего периода эксплуатации коллекторы «Сокол» рекомендуется использовать в системах непрямого нагрева воды, т.е. первом замкнутом контуре двухконтурных систем, имеющих специальный промежуточный теплообменник для передачи тепла в накопительный бак-аккумулятор системы. Прямой нагрев воды в коллекторах не рекомендуется из-за ускорения внутренней коррозии и возможного засорения каналов поглощающей панели механическими взвесями и отложениями солей.

При использовании коллекторов в системах солнечного теплоснабжения они должны разрабатываться в соответствии с требованиями ВСН 52-86 «Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования.» (Госгражданстрой, М., 1988). Коллекторы, входящие в состав бытовых солнечных водонагревателей, монтируются в соответствии с руководством по эксплуатации этих установок.

В коллекторном контуре системы необходимо предусматривать установку мембранного расширительного бачка для компенсации увеличения объёма теплоносителя при нагреве и предохранительного клапана для предохранения коллектора от роста давления свыше рабочего.

Практически все солнечные системы работают в режиме аккумулирования тепла в накопительном баке, поскольку полезно используемое тепло поступает в систему (к коллекторам) только в дневное время, а система должна обеспечивать круглосуточную подачу горячей воды потребителю.

Солнечные коллекторы могут применяться как в термосифонных системах с естественной циркуляцией теплоносителя первого (коллекторного) контура, так и в системах с принудительной (насосной) циркуляцией теплоносителя.

Особенностью систем является то, что в случае термосифонной системы нижняя точка бака-аккумулятора должна располагаться выше верхней точки коллектора и не далее 3-4 м. от коллекторов, а при насосной циркуляции теплоносителя расположение бака-аккумулятора может быть произвольным.

Установки солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией, как правило, следует применять при площади солнечных коллекторов до 10 м².

Принципиальная схема одноконтурной термосифоннойсистемы солнечного горячего водоснабжения.

Работа одноконтурной термосифонной системы для прямого нагрева воды

Коллекторы, бак-аккумулятор и соединительные трубопроводы системы заполнены холодной водой. Солнечное излучение, проходя через прозрачное покрытие (остекление) коллектора нагревает его поглощающую панель и воду в её каналах. При нагреве плотность воды уменьшается и нагретая жидкость начинает перемещаться в верхнюю точку коллектора и далее по трубопроводу – в бак-аккумулятор. В баке нагретая вода перемещается в верхнюю точку, а более холодная вода размещается в нижней части бака, т.е. наблюдается расслоение воды в зависимости от температуры. Более холодная вода из нижней части бака по трубопроводу поступает в нижнюю часть коллектора. Таким образом, при наличии достаточной солнечной радиации, в коллекторном контуре устанавливается постоянная циркуляция, скорость и интенсивность которой зависят от плотности потока солнечного излучения. Постепенно, в течение светового дня, происходит полный прогрев всего бака, при этом отбор воды для использования должен производиться из наиболее горячих слоев воды,  располагающихся в верхней части бака. Обычно это делается подачей холодной воды в бак снизу под давлением, которая вытесняет нагретую воду из бака.

Применение коллектора «Сокол» в таких схемах не рекомендуется.

Принципиальная схема двухконтурной термосифонной системы солнечного горячего водоснабжения.

Работа двухконтурной термосифонной системы.

Работа такой системы аналогична работе одноконтурной системы, но в системе имеется отдельный замкнутый коллекторный контур, состоящий из коллекторов, трубопроводов и теплообменника в баке-аккумуляторе. Этот контур заправляется специальным (как правило, незамерзающим) теплоносителем. При нагреве теплоносителя в коллекторе он поступает в верхнюю часть теплообменника, отдает тепло воде в баке и охлаждаясь движется вниз ко входу в коллекторы, осуществляя постоянную циркуляцию при наличии солнечной радиации.

Полный прогрев бака происходит постепенно, в течение всего светового дня, но поскольку отбор воды к потребителю производится из наиболее прогретых верхних слоев, пользование горячей водой возможно и до полного прогрева.

Принципиальная схема двухконтурной системы солнечного горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией

В системах с принудительной циркуляцией в коллекторный контур включается циркуляционный насос, что дает возможность устанавливать бак-аккумулятор в любой части здания. Направление движения теплоносителя должно совпадать с направлением естественной циркуляции в коллекторах. Включение и выключение насоса производится электронным блоком управления, представляющим собой дифференциальное управляющее реле, сравнивающего показания датчиков температуры, установленных на выходе из коллекторов и в баке. Насос включается, если температура в коллекторах выше температуры воды в баке. Существуют блоки, позволяющие менять скорость вращения и подачу насоса, поддерживая постоянную разность температур между коллекторами и баком.

Размещение в здании элементов солнечной системы горячего водоснабжения.

Пространственное размещение солнечных коллекторов следует определять с учетом типа застройки, ландшафтных и климатических условий.

Солнечные коллекторы, размещаемые на кровле зданий, должны располагаться на опорах.

Расчет опорных конструкций под солнечные коллекторы следует вести с учётом ветровой и снеговой нагрузок, а также возможных сейсмических воздействий.

 

Остались вопросы? Напишите нам [email protected]

Солнечное тепло: горячее водоснабжение и отопление

В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м², достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в любом (независимо от широты) месте, около 1 000 Вт/м². В условиях средней полосы России солнечное излучение “приносит” на поверхность земли энергию, эквивалентную примерно 100-150 кг условного топлива на м² в год.

Для оценки ресурса солнечной энергии, приходящей на единицу поверхности, применяются различные показатели. Обычно используется значение среднегодового, среднемесячного и суточное количество энергии, которое измеряется в кВт*ч/м². Также, часто используется так называемое “количество пиковых часов” солнечного сияния за период- это приведенное значение, обычно получается делением прихода энергии за период на 1000 Вт/м². Этот параметр удобно использовать, так как обычно все параметры солнечных батарей и солнечных коллекторов указываются именно при этой пиковой освещенности.

Практическая задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы наиболее эффективно “собрать” этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) при наименьших затратах на установку. Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых плоских солнечных коллекторах.

Солнечные коллекторы разного типа позволяют получить тепловую энергию, которая в первую очередь используется для приготовления горячей воды, что особенно актуально в летний период года, когда наблюдается максимальная солнечная активность и максимальное потребление горячей воды.
Кроме этого в отдельных случаях при построении комбинированных котельных установок тепло от солнечных коллекторов частично можно использовать в различных системах отопления, например, при работе котельной установки в переходные периоды года. Такой подход позволяет существенно повысить эффективность котельной установки в целом.

Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют ежегодно экономить традиционное топливо:
– до 75% – для горячего водоснабжения (ГВС) при круглогодичном использовании;
– до 95% – для ГВС при сезонном использовании;
– до 50% – для целей отопления;
– до 80% – для целей дежурного отопления.

Следует учитывать, что каждая система индивидуальна, и процент экономии энергоресурсов при использовании гелиосистемы необходимо рассчитывать. Для точного расчетов гелиосистем использует сложные программные продукты.

В последнее время все более широкое применение в России находят системы с вакуумными солнечными коллекторами. В солнечные летние дни разницы в работе хороших плоских и вакуумных солнечных коллекторов практически незаметна. Однако при низкой температуре окружающей среды преимущества вакуумных коллекторов становятся очевидны. Также, даже в летнее время есть разница в между максимальными температурами нагрева воды в коллекторах. Если для плоских коллекторов максимальная температура не превышает 80-90 градусов, то в вакуумных коллекторах температура теплоносителя может превышать 100 °С. С одной стороны, это требует постоянного отвода тепла от вакуумного коллектора, чтобы он не закипел, или применение других технических решений для предотвращения перегрева воды в теплоаккумулирующем баке. С другой стороны, в системах с плоскими коллекторами существует проблема размножения бактерий и других микроорганизмов (там тепло и влажно), которой нет в системах с вакуумными коллекторами (в них происходит периодическая “пастеризация и стерилизация” за счет более высокой температуры. Так, средняя температура в работающей системе с плоскими коллекторами обычно составляет 40-50 градусов, а в системе с вакуумными коллекторами – 60-80 градусов (значения указаны для лета при типичном потреблении горячей воды.

Мы предлагаем как плоские, так и вакуумные солнечные коллекторы и системы на их основе.

Обычно системы с плоскими коллекторами используют сезонно, с весны по осень. В зимнее время
производительность систем с плоскими солнечными коллекторами падает за счет теплопотерь в окружающую среду. В круглогодичных солнечных водонагревательных установках обычно используются вакуумные солнечные коллекторы, хотя в южных регионах России возможно использование и плоских коллеторов в хорошей теплоизоляцией. В любом случае необходимо уделять пристальное внимание теплоизоляции труб, идущих к коллектору и от него.

Принцип работы солнечной водонагревательной установки

Схема круглогодичной солнечной водонагревательной установки.

Солнечная водонагревательная установка СВУ состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (специальный антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник, (обычно вмонтированный в бак-аккумулятор, но может быть и отдельным). В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический нагреватель-дублер. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически включается и догревает воду до заданной температуры. Очень часто солнечные нагреватели используют совместно с другими источниками тепла – газовыми, жидкотопливными, пеллетными и т.п. бойлерами.

Солнечные установки сезонного действия  с использованием солнечных коллекторов могут непосредственно нагревать воду в баке-аккумуляторе.

Более подробную информацию по этой теме, о принципах построения и типах солнечных нагревательных систем, их достоинствах и недостатках вы можете посмотреть в разделе нашего сайта по основам возобновляемой энергетики (солнечное теплоснабжение), а также почитать статьи в нашей Библиотеке.

Математическое моделирование простейшей солнечной водонагревательной установки, проведенное в Институте высоких температур Российской академии наук с использованием современных программных средств и данных типичного метеогода показало, что в реальных климатических условиях средней полосы России целесообразно использование сезонных плоских солнечных водонагревателей, работающих в период с марта по сентябрь. Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему бака-аккумулятора 2 м²/100 л вероятность ежедневного нагрева воды в этот период до температуры не менее чем 37^°С составляет 50-90%, до температуры не менее чем 45°С – 30-70%, до температуры не менее чем 55^°С – 20-60%. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.

“Ваш Солнечный Дом” разрабатывает, комплектует и поставляет готовые системы солнечного теплоснабжения, как с пассивной, так и с активной циркуляцией теплоносителя. Описание этих систем вы можете найти в соответствующих разделах нашего сайта. Заказ и покупка осуществляется через Интернет-магазин.

Очень часто задается вопрос, можно ли использовать солнечные нагревательные установки для отопления в условиях России. По этому поводу написана отдельная статья – “Солнечная поддержка отопления”

Эта статья прочитана 10075 раз(а)!

Продолжить чтение

• 79

  Эффективность применения солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России Автор: О. С. Попель Институт высоких температур Российской академии наук АННОТАЦИЯ На основе математического моделирования простейшей солнечной водонагревательной установки с использованием современных программных средств и данных типичного метеогода показано, что…

• 75

  Раздел «Оборудование — Солнечные коллекторы» Раздел «Основы — Солнечное тепло» Раздел «Библиотека — про солнце» См. также полную карту нашего сайта со списком всех статей.

• 70

  Интересные ссылки по солнечным коллекторам Солнечные коллекторы: правда и мифы. Приведено сравнение плоских и вакуумных коллекторов. Написано все, на удивление, правильно, видно что писал не журналист, а практик. Видео о солнечных коллекторах https://youtu.be/Bm-hgBhgwL0 Процесс кипячения воды в вакуумной трубке Испытания…

• 69

  Типы систем солнечного теплоснабжения Мы можем спроектировать и поставить систему солнечного горячего водоснабжения для ваших нужд. Также у нас есть типовые системы для солнечного горячего водоснабжения. Мы проектируем различные системы для подогрева воды: Одноконтурные, для использования сезонно или в местностях,…

• 69

  Расчеты систем солнечного горячего водоснабжения Нагреть 1 кг воды на 1 градус можно, затратив 1,16 Вт*ч. Значит, нагреть тонну воды на 30 градусов (от 20 до 50) можно, затратив 1,16х1000х30=34800 Вт*ч. Считается, что минимальная мощность, при которой еще более-менее будет…

• 68

  Пластинчатый TopSon F3-1/F3-Q Назначение Солнечные коллекторы разного типа позволяют получить тепловую энергию, которая, в первую очередь, используется для приготовления горячей воды, что особенно актуально в летний период года, когда наблюдается максимальная солнечная активность и максимальное потребление горячей воды. Фирма Wolf предлагает комплексное использование…

Накопитель солнечной энергии — обзор

4 Накопитель солнечной тепловой энергии

Накопитель солнечной энергии (STS) — это накопление энергии, собранной данным солнечным полем, для ее последующего использования. В контексте этой главы технологии STS устанавливаются для обеспечения частичной или полной диспетчеризации солнечной электростанции, так что выходная мощность электростанции не зависит строго во времени от входа, то есть солнечного излучения. STS — это системы TES, в которых источником тепла является солнечное поле, улавливающее избыток энергии, не преобразованный напрямую в энергию или другую полезную энергию.Таким образом, большинство известных технологий TES могут быть адаптированы и приняты в солнечных приложениях, в частности, для производства электроэнергии. Подробный обзор по этой теме можно найти в литературе. ^9–12

Выбор STS определяется набором физических, химических, экологических и экономических свойств ¹¹ :

•

Энергетическая плотность материала хранения

•

Теплопередача и механические свойства

•

Химическая совместимость и стабильность

•

Термодинамическая обратимость

•

Воздействие на окружающую среду

•

Тепловые потери

•

Стоимость

К этим свойствам можно добавить автоматизацию и управление ¹³ , а также требования по охране труда и технике безопасности как факторы, влияющие на производительность STS при интеграции в данную солнечную электростанцию.Усилия, предпринятые для улучшения определенного свойства, часто приводят к ситуациям компромисса. Например, усилия по улучшению теплопередачи обычно приводят к увеличению затрат. Таким образом, проектирование и эксплуатация STS не всегда является стандартным процессом.

Классификация STS обычно проводится с учетом двух характеристик: номинальной или максимальной температуры, которая влияет на максимальный общий КПД системы, и характера процесса накопления энергии в отношении используемых материалов и оборудования.

Что касается температуры, TES можно разделить на системы хранения с низкой, средней и высокой температурой. Низкие температуры TES для аккумулирования тепла для бытовых нужд (отопление или горячее водоснабжение) находятся в диапазоне 40–90 ° C. Среднетемпературный TES, до 300 ° C, может использоваться, например, в технологических процессах нагрева ¹⁴ и производстве энергии в органических циклах Ренкина (ORC). ¹⁵ Однако в солнечных приложениях, где электроэнергия является целью, температура нагнетания должна оставаться выше 400 ° C для циклов Ренкина и 600 ° C для циклов Брайтона, чтобы общая эффективность была экономически привлекательной.Таким образом, не только коллекторы солнечного поля должны обеспечивать высокие выходные температуры (температура HTF на выходе из солнечного поля), но также HTF и накопительные материалы должны взаимодействовать таким образом, чтобы минимизировать потери энергии и эксергии во время различных процессов теплопередачи и гарантировать их срок службы, как объяснено далее в этой главе. Таблица 12.4 суммировала диапазон температур, достигнутый и достижимый с помощью нескольких технологий солнечного поля. ¹⁶

Таблица 12.4. Температура (° C) теплоносителя для различных коллекторных технологий

Источник	Параболический желоб	Башня		Диш-Стирлинга	Линейный Френель
		Текущий	Объемный ресивер
	Коммерческий	Коммерческий	Демонстрационный	Демонстрационный	Коммерческий
Ref.[9]	290–550	250–650	—	550–750	250–390
Ref. [12]	290–390	290–565	—	550–750	250–390
	393 a	565 a	1000 —05 b	—

Что касается природы STS, два основных элемента составляют и определяют эти системы хранения, а именно HTF и материал для хранения.В зависимости от конфигурации они могут быть в прямом контакте, разделены или быть одинаковыми.

Каталог носителей информации увеличивается по мере продолжающихся исследований, и исчерпывающий перечень выходит за рамки данной главы. Как правило, среды классифицируются по их рабочему состоянию (твердое, жидкое, газообразное или их сочетание) и физическим и химическим превращениям в эксперименте. Согласно литературным данным, ¹ существует три типа TES, учитывающих процесс хранения и соответствующий носитель:

•

накопление разумной энергии;

•

накопитель скрытой энергии; и

•

термохимический склад.

Учитывая подвижность материала аккумуляторов, можно составить классификацию, применимую к скрытой и термохимической теплоте. ¹⁷ Носители данных, которым разрешено или принудительно протекать, например, через трубы или теплообменники, считаются активными системами хранения. С другой стороны, когда носители данных постоянно находятся в резервуаре или контейнере, система считается пассивной , также известной как регенераторы. За некоторыми исключениями, в активной конфигурации можно использовать только жидкое тепловое реле STS.

В целом HTF не хранят значительных объемов энергии и не производят работы; они переносят энергию только от одного элемента растения к другому. Это случай минеральных или синтетических масел, циркулирующих по РТС. В некоторых случаях HTF работает как материал для хранения, как показано ниже для расплавленных солей. Рабочие жидкости, такие как вода или пар, в некоторых случаях могут использоваться для сбора и хранения большей части запасенной энергии. HTF термически связывает хранилище с остальной частью установки, а именно с солнечной батареей и силовым блоком.

Что касается топологии системы, один или несколько резервуаров могут использоваться для хранения среды, обычно это система с одним резервуаром, также известная как резервуар с термоклином из-за распределения температуры в объеме, возникающего из-за разницы плотностей, и два резервуара. — система резервуаров, в которой среда перетекает из одного резервуара в другой во время зарядки и разрядки. Были предложены альтернативные конфигурации ¹⁸ , такие как разделенный резервуар и каскадное расположение резервуаров, которые из-за дополнительной сложности в настоящее время имеют незначительное проникновение.

Явное накопление тепла заключается в увеличении за счет теплопередачи кинетической энергии молекул носителя, что выражается в повышении температуры. Расплавленные соли, синтетические масла, бетон, уплотненный слой или вода под давлением являются наиболее распространенной средой для хранения.

Скрытый накопитель энергии использует разницу энтальпии данного вещества между двумя физическими состояниями или фазами. Для этого типа хранилища характерно использование материалов с фазовым переходом (ПКМ).Sharma et al. предоставляет обзор PCM для TES. ¹⁹

Этот третий тип TES основан на обратимых эндотермических химических реакциях ²⁰ , инициированных добавлением / извлечением энергии к / из вещества. Тепло является движущим источником эндотермических реакций, в отличие от других вариантов хранения химической энергии, таких как электролиз воды для получения газообразного водорода, для чего требуется электричество.

Решение обеспечить солнечную электростанцию ​​системой хранения почти полностью отвечает экономическим критериям.В исключительных случаях гибкость эксплуатации и потребности в базовой нагрузке будут влиять на окончательный проект установки, но размер хранилища также будет определяться процессом оптимизации затрат.

Для солнечной электростанции без накопителя и без внешних источников традиционной энергии, такой как природный газ, приведенная стоимость энергии является функцией капитальных вложений, а также эксплуатационных затрат и доходов. Инвестиции могут происходить в разные моменты жизни завода, но большая часть будет приходиться на строительство завода.

Стоимость СТС зависит от трех основных условий: (1) стоимость тары, материала для хранения и ПВТ; (2) стоимость необходимых теплообменников; и (3) стоимость места, которое занимает STS ²⁰ . Ориентировочные затраты на ТЭС в солнечных установках с коммерческими технологиями приведены в Таблице 12.5.

Таблица 12.5. Примеры затрат на накопление тепловой энергии

Тип	Конфигурация	Материал для хранения	Жидкий теплоноситель	Δ T (K)	Капитальные затраты (долл. / КВтч th )
Sensible	Два резервуара	Расплавленная соль	То же, что и складской материал	300	28.21
Sensible	Два резервуара	Жидкий натрий	То же, что и накопительный материал	300	48,48
Sensible	Thermocline	Кварц / песок	Соль расплавленная	300	20,26
Скрытый	EPCM	Хлоридная соль	Воздух	300	19,74
Латентный	Змеевик в резервуаре	Карбонатная соль		Карбонатная соль			300	21

От M.Лю, Н.Х. Стивен Тай, С. Белл, М. Белуско, Р. Джейкоб, Г. Уилл, В. Саман, Ф. Бруно, Обзор концентрирующих солнечных электростанций и новых разработок в технологиях хранения высокотемпературной тепловой энергии, Renew. Поддерживать. Энергия Ред. 53 (2016) 1411–1432.

Хранение делает возможным, главным образом, повышение гибкости установки и возможность работы оборудования в течение более длительного времени в номинальной рабочей точке. Гибкость или диспетчеризация означает, что электричество можно вырабатывать не только тогда, когда светит солнце, но и тогда, когда электричество имеет большую ценность.Экономика установки улучшается, когда элементы силового блока работают стабильно, что снижает механическую и термическую усталость при типичной циклической работе.

Таким образом, важно отметить, что стоимости технологии хранения недостаточно для определения их рентабельности, которая определяется ее характеристиками (эффективность, долговечность и т. Д.) В рамках конкретной конструкции завода. Определение размеров и эксплуатация систем STS требует использования инструментов моделирования, чтобы гарантировать, что как хранилище, так и остальная часть завода будут вести себя в рамках технических и экономических границ проекта.

Исследовательские исследования и более детальные инженерные работы часто можно проводить с помощью таких инструментов, как Matlab ^® / Simulink, Modelica или Visual Basic. Для определенных компонентов может потребоваться использование специального программного обеспечения для метода конечных элементов, такого как ANSYS-Fluent. ASPEN PLUS, APROS или DYMOLA (Modelica) широко использовались для моделирования и моделирования полных солнечных электростанций, включая хранилище, благодаря гибкости их библиотек компонентов и возможности интеграции детализированных систем управления. ^21,22

Накопление солнечной энергии для дома, фермы и малого бизнеса: предложения по выбору и использованию материалов и оборудования для аккумулирования тепла

AE-89

---

AE-89

Университет Пердью

Кооперативная служба расширения

West Lafayette, IN 47907

---

---

---

---

Стив Экхофф и Мартин Окос

Департамент сельскохозяйственной инженерии
Университет Пердью

---

Содержание

Введение

Типы материалов, используемых для хранения солнечного тепла

Преимущества и недостатки различных материалов для хранения

Как материалы с фазовым переходом работают в солнечном аккумуляторе

Размер и тип горных пород, наиболее подходящих для хранения тепла

Тип используемого теплоносителя

Определение размера вашего складского помещения

Расположение вашего хранилища

Важность конфигурации хранилища (форма)

Уменьшение необходимого объема хранения

Предложения при покупке коммерческого накопителя тепла

Связанные публикации

 

---

Никому не нужно определять для рядового гражданина термин «энергия». хруст ».Наши ежемесячные счета за топливо и коммунальные услуги — постоянное напоминание о том, что стоимость уровня жизни Америки. А «эксперты» предупреждают, что кризис здесь, чтобы остаться.

Из альтернатив традиционным формам энергии одна получение самого серьезного внимания — по крайней мере, для дома, фермы и небольшого Потребности бизнеса в отоплении — это солнечная энергия. Сегодня много новых домов проектируются и строятся для размещения солнечного отопления системы. Различные типы переносных коллекторов и солнечного отопления пакеты конверсии легко доступны на розничном рынке.

К сожалению, слишком многие перспективные пользователи солнечной энергии тоже мало информации о некоторых аспектах строительства или преобразования к солнечной системе отопления. Одна область неадекватной или дезинформации в особенным (и дорогостоящим из-за того, что допускаются ошибки) является хранение собранная энергия. Таким образом, цель данной публикации — ответить на несколько основных вопросов о правильном выборе и использовании устройства хранения тепла.

В публикацию включены обсуждения различных аккумуляторов тепла. материалы и средства массовой информации, и как выбрать «правильный»; размер, расположение и форма запоминающего устройства; и предложения по покупкам для такого устройства.Включены два рабочих листа (с примерами) — один для определение того, сколько тепла вам, вероятно, понадобится, а другой для выяснения того, насколько вы сможете сократить расходы за счет правильного изоляция. Перечисленные в конце публикации доступны Purdue Extension публикации, которые касаются связанных аспектов солнечного отопления и энергосбережение.

Какие материалы используются для хранения солнечного тепла и есть ли «лучший» один?

Ряд материалов будет работать как носитель в доме, на ферме или системы солнечного отопления для малого бизнеса; но обычно только три рекомендуется в это время — камень, вода (или смеси вода-антифриз) и химическое вещество с фазовым переходом, называемое глауберовской солью.Эти материалы, наиболее последовательно соответствующие критериям выбора носитель информации, а именно способность (1) передавать тепло своему точки приложения при желаемой температуре, и (2) сделать это дешево, исходя не столько из стоимости материала, сколько из стоимости самого общая система и ее обслуживание.

Таким образом, не существует одного «лучшего» теплоаккумулирующего материала; а скорее каждый из трех имеет характеристики, которые могут сделать его наиболее желанным при определенных условиях.

Каковы преимущества и недостатки каждого материала для хранения, и при каких условиях его можно будет использовать?

Скалы

В качестве материала для хранения камни дешевы и легкодоступны, имеют хорошие характеристики теплопередачи с воздухом (теплоносителем) при низкие скорости, и действуют как собственный теплообменник. Главный Недостатками являются их высокое соотношение объема на единицу хранения по сравнению с вода и материалы с фазовым переходом (что означает больший запас тепла области), а также трудности с конденсацией воды и микробиологическим Мероприятия.Если точка росы поступающего в хранилище воздуха выше температуры породы, влага в воздухе конденсируется на камни. Влага и тепло в горном дне могут привести к возникновению микробов. рост.

Каменное хранилище — самая надежная из трех систем хранения. из-за своей простоты. После того, как система установлена, обслуживание минимален, и некоторые вещи могут снизить производительность хранилища.

Воздушные солнечные коллекторы обычно используются с каменными хранилищами. устройств.Поскольку воздухосборники дешевле и не требуют обслуживания чем жидкостные коллекторы, система, использующая каменные накопители и воздушные солнечные коллекторы кажется наиболее логичным вариантом для отопления жилых домов. Тем не мение, другие обстоятельства, такие как наличие дешевых материалов, ограниченное коллектор или место для хранения или несовместимость с существующим система отопления, может диктовать использование воды или фазового перехода устройство хранения материала. Помните, однако, что окончательный решающим фактором должны быть начальные затраты и затраты на обслуживание система.

Обсуждается тип и размер горных пород, которые лучше всего хранят тепло. позже.

Вода

Вода как материал для хранения имеет преимущества: она недорогая. и легко доступны, имеют отличную теплопередачу характеристики и совместимость с существующей горячей водой системы. К его основным недостаткам можно отнести трудности с системой. коррозия и утечки, а также более дорогие строительные расходы.

Благодаря хорошему соотношению теплоемкости к объему (в пять раз больше породы) и больший КПД жидкостных солнечных коллекторов, Системы сбора и хранения жидкостей могут быть очень практичными: (1) где доступно тщательное техническое обслуживание (например, в многоквартирных домах или промышленные здания), (2) где конечным использованием является горячая вода (например, как в молочном сарае или на предприятии пищевой промышленности), или (3) где система хранения воды может быть напрямую подключена к существующему отоплению система как в жилом водонагревателе плинтус отопления.

Вместо камня можно также рассмотреть систему хранения воды. хранение в ситуациях, когда пространство ограничено. Резервуар для воды может легко закапывать под землю для экономии места.

Материалы с фазовым переходом (PCM)

Глауберова соль вещества с фазовым переходом из-за низкого содержания объема на БТЕ-хранимую, требуется только 1/8 пространства камней и 2/5 пространство воды для сопоставимого хранения тепла (см. рисунок 1).Это также поглощает и отдает большую часть тепла при постоянном температура. Недостатки глауберовской соли, по крайней мере, на данный момент, его стоимость относительно камня и воды, а также различные технические проблемы (например, проблемы с упаковкой из-за плохой термической проводимость и ее коррозионный характер). Такие проблемы нужно устраняется до того, как можно будет гарантировать надежность PCM.

Рисунок 1. Сравнительные объемы для одинакового количества аккумуляторов тепла. с использованием трех разных материалов для хранения.

Материалы с фазовым переходом обычно используются в ситуациях, когда существуют ограничения по пространству. Часто стоимость дополнительного места в новый дом для каменного хранилища будет больше, чем добавленная стоимость о покупке ПКМ, такого как глауберова соль. Эти материалы также очень желательно, если ставка делается на поддержание постоянного температура. Жилые помещения, отапливаемые PCM, часто более комфортны, так как температура воздуха в хранилище более равномерная, пока разрядка.

Как материалы с фазовым переходом работают в солнечном аккумуляторе?

PCM — это химические вещества, которые претерпевают твердое-жидкое переход при температурах в пределах желаемого диапазона для нагрева целей. В процессе перехода материал поглощает энергию когда он переходит из твердого состояния в жидкость и высвобождает энергию по мере продвижения обратно в твердое состояние. Что делает PCM желательным для хранения тепла, так это его способность удерживать одновременно очень разное количество энергии температура.

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим фазовые изменения, которые происходят с водой. Если вода помещается в морозильную камеру, тепло отводится из нее хладагент, пока он не станет льдом. Если затем поместить лед в жидкость при комнатной температуре, она тает, поскольку поглощает энергию из этого окружающая жидкость. Количество поглощенного тепла составляет около 143 БТЕ на фунт, что означает, что фунт льда может охладить фунт воды от От 175 ° F до 32 ° F, в то время как само по себе только меняет форму (т.е., от льда при 32 ° до воды при 32 °).

В настоящее время изучаются потенциальные теплоаккумулирующие материалы на минимум дюжина химических соединений, которые изменяют фазу при температуре в пределах полезного диапазона для отопления помещений. Однако на данный момент продается только глауберова соль (декагидрат сульфата натрия) коммерчески. Соль Глаубера меняет фазы при 90 ° F и имеет 108 БТЕ на фунт «скрытого тепла» (количество поглощенного или выделенного тепла во время смены фазы).Из-за высокой скрытой теплоты глауберова соль требует меньшего объема хранения, чем камень или вода; что могло означает более низкую стоимость складских помещений и больше полезного пространства в доме чтобы компенсировать относительно высокую стоимость материала.

У ПКМ есть некоторые химические свойства, которые могут вызывать проблемы при нагревании. хранение и передача; но большинство из них преодолены или преодолеваются. Один что PCM имеют тенденцию к переохлаждению при отводе тепла. Это означает, что, вместо того, чтобы отдавать скрытую теплоту при температуре фазового перехода, солевые PCM могут оставаться в жидком состоянии до тех пор, пока они не упадут, возможно, до 15-30 ° ниже этой температуры.Для борьбы с этим сверхохлаждением »по Глауберу соль, около 3 процентов химического вещества, декагидрат тетрабората натрия, добавляется, чтобы вызвать фазовый переход при надлежащей температуре.

Другая проблема с солевыми ПКМ — проблема неконгруэнтного плавления, что происходит, когда соль частично нерастворима в воде кристаллизация. В случае глауберовской соли при ее плавлении температуре около 15 процентов сульфата натрия остается в нерастворимая безводная форма.Вдвое плотнее насыщенного раствор, безводный осаждается и не перекристаллизовывается при тепло отводится. Чтобы предотвратить это, используется загуститель, чтобы сохранить водный раствор в суспензии, пока он не сможет преобразоваться в кристалл структура при отводе тепла.

Способность аккумулировать тепло снизится со 108 до примерно 60 БТЕ на фунт по мере оседания безводного. В настоящее время лучшее загущение Используемый агент — аттапульгитовая глина, которая при добавлении к глауберовской соль в количестве 7-10 процентов, препятствует оседанию безводный и не разлагается со временем.

Примечание : Остерегайтесь смесей, содержащих целлюлозу, крахмал, опилки, силикагель, диоксид кремния и т. д. Эти типы загустителей хорошо подходят для некоторое время, но в конечном итоге либо гидролизуются солью, либо разлагается бактериями и становится неэффективным. Имея дело с уважаемая компания должна устранить некоторые из этих опасений. Не позволяйте продавец продаст вам «секретный» загуститель; если бы это было хорошо он был бы запатентован, и не было бы необходимости в секретах.)

Если в качестве материала для хранения используется камень, какой размер и тип лучше всего подойдут?

Хотя размер выбранной породы будет определяться в первую очередь стоимость, как правило, чем больше размер, тем лучше для хранения целей. Основная причина в том, что требуется меньше энергии, чтобы заставить теплопередача воздуха через большие камни, чем через маленькие. Горные породы менее дюйма в диаметре обычно слишком малы; тогда как еще более 4-6 дюймов в диаметре слишком велики из-за недостаточного площадь поверхности теплопередачи.

Собирая камень для хранения, ищите округлое поле. камни диаметром от 4 до 6 дюймов. При коммерческой покупке у каменный карьер, самый крупный из имеющихся, вероятно, «септический» гравий », диаметр которого составляет 1–3 дюйма. Но не переусердствуйте. озабочен размером; соглашайтесь на 2-дюймовый септический гравий, если у вас есть платить больше за камень большего размера. Если есть, старый кирпич дома хороший материал для хранения при штабелировании для обеспечения циркуляции воздуха.

Вероятно, более важным, чем размер камня, является его однородность. Если слишком много вариаций, более мелкие камни заполнят пустоты между более крупными камнями, увеличивая мощность нагнетателя требование. Кроме того, избегайте камней, склонных к масштабированию и чешуйки, например известняк. Образовавшаяся «пыль» улавливается теплопередающий воздух и либо забивает фильтры печи, либо, если топка обходится, выдувается прямо в зону нагрева.

Поскольку воздух необходимо продувать через каменное дно, необходимо знать количество необходимой мощности. В общем, чем быстрее поток воздуха и / или чем меньше размер камня, тем больше потребляемая мощность.

Например, скорость воздуха 50 футов в минуту через 10-футовый слой 1-дюймовой породы имеет перепад давления около 1 дюйма. вода (статическое давление). Уменьшение скорости до 30 футов в минуту сократит падение давления до 1/2 дюйма водяного столба.Падение давления по всей системе (т. е. коллектор, платформа для хранения и воздуховоды) должно быть не более 3-4 дюймов водяного столба (статическое давление).

Перед заполнением хранилища рассмотрите возможность мытья или проверки. из «штрафов», которые в противном случае могли бы заполнить пустоты. Каменное хранилище должен позволять отвод скопившейся влаги. Также, рассмотреть способы предотвращения роста плесени и бактерий, одним из которых является поддержание высокой температуры хранения даже в периоды малой нагрузки.

Какой тип теплоносителя мне следует использовать?

Средствами переноса, наиболее часто используемыми в системах солнечного отопления, являются: воздушные, водяные и водо-антифризные смеси. Какой из них вам следует использовать вполне может быть продиктовано типом выбранного материала для хранения. За Например, для хранения горных пород в качестве среды передачи требуется воздух; вода или хранилища воды-антифриза используют ту же жидкость для передачи тепла; PCM хранилище. с другой стороны, использовал бы воздух или жидкость, в зависимости от типа теплообменника.

Многие из первых домов, построенных на солнечной энергии, использовали водные коллекторы. с накоплением воды из-за преимуществ повышенной эффективности и уменьшенного размера. Однако в настоящее время солнечные системы отопления, использующие воздух в качестве средства переноса рекомендуется для домашнего использования. Один причина — меньшая вероятность повреждения; неисправная система передачи воздуха почти не вызовет проблем, связанных с протекающей или замерзшей водой. система будет. Кроме того, воздуховоды и воздуховоды обычно дешевле и требуют меньшего обслуживания.До более надежной и «отказоустойчивой» жидкости. системы разрабатываются, воздух, вероятно, по-прежнему будет рекомендован теплоноситель для домашнего солнечного отопления.

Насколько большим должен быть мой солнечный накопитель тепла?

Необходимый объем хранилища зависит от четырех факторов: (1) нагрев потребность отапливаемой площади, (2) дня резерва хранения желаемый, (3) температурный диапазон, в котором сохраняется тепло, и (4) тип используемого материала для хранения.Ниже приводится краткое обсуждение каждого коэффициент и рабочий лист I (с примером) для расчета необходимого тепла емкость хранилища с использованием различных материалов для хранения.

Необходимое количество тепла — количество тепла, необходимое для поддержания желаемого температура в доме или другом здании. Это равно сумме тепла, которое конструкция теряет в окружающую среду через стены и кровля за счет теплопроводности и конвекции. Эта потеря тепла может быть оценивается по простым уравнениям, найденным в большинстве тепловых переводные книги (см. Связанные публикации на стр. 9) или часто газ и Представители теплотехнической компании примут такие решения, как услуга.

Запас хранения — это количество тепла, необходимое, если энергия не может быть собираются в течение заданного количества дней. Несмотря на то, что они довольно изменчивы, сумма резерва, обычно планируемая для солнечного отопления дома при настоящее время составляет от 3 до 5 дней.

Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло — разница между максимальной температурой полки для хранения, когда она заполнена, и минимальная температура, которой должен быть теплоноситель обогрев.В домах, отапливаемых солнечными батареями, максимальная температура «кровати», вероятно, будет ниже. быть 130-150 ° F, в зависимости от используемого коллектора; тогда как минимум температура передачи составляет около 75-80 ° F, при условии, что желаемая комната температура 70 ° F. Таким образом. хороший показатель «температурный диапазон» до использование в расчетах объема хранилища будет 50 ° F (130 ° — 80 °) (Имеется тенденция к максимально возможному сохранению тепла. температура для минимизации размера хранилища; но как температура от коллектора повышается, КПД падает).

Теплоаккумуляторы отличаются определенными характеристиками, которые также необходимо учитывать при определении емкости хранилища. В таблице 1 перечислены насыпная плотность, удельная теплоемкость (теплоемкость) и скрытая теплота три распространенных материала для хранения солнечного тепла — камень, вода и глауберовский соль. На рисунке 1 показан сравнительный объем каждого материала для такое же количество аккумулированного тепла, основанное на примере в Таблице I.

Таблица 1.Характеристики теплоаккумулятора трех обычных видов солнечного тепла Материалы для хранения.

  Накопитель Объемная плотность Удельная теплоемкость Скрытая тепло 
-------------------------------------------------- --------------------------
Камень 100 фунтов / куб. Фут. 0,2 БТЕ / фунт ° F ---------------

Вода 62,4 фунта / куб. Фут. 1 БТЕ / фунт ° F ---------------

Глауберова соль 56 фунтов / куб. Фут. 0,5 БТЕ / фунт.° F 108 БТЕ / фунт. при 90 ° F
(фазовый переход (включая нагрев ниже 90 ° F
температура, 90 ° F) теплообменник) 0,8 БТЕ / фунт ° F
                                         выше 90 ° F
-------------------------------------------------- ---------------------------
 

---

Рабочий лист 1. Расчет необходимого объема накопления солнечного тепла

Пример: предположим, что вашему дому требуется отопление (расчетное количество тепла потери) 15000 БТЕ в час, и вы хотите, чтобы ваша солнечная система отопления иметь 3-дневный резерв хранения.Каким будет ваше необходимое хранилище емкость с использованием камня, воды или глауберовской соли в качестве материала для хранения?

                                                                                       Наш Ваш
                      Пример ситуации с позициями и расчетами


1. Требуемый объем при использовании ROCK в качестве носителя.

   а. Потребность в отоплении здания: Расчетные потери тепла (см. Обсуждение выше).= 15 000 БТЕ / час ___________

   б. Часов в день: 24. = 24 часа в сутки ___________

   c. Желаемый резерв хранения: в среднем 3-5 дней (см. Обсуждение выше). = 3 дня ___________

   d. Общее необходимое тепло: Шаг 1.a (15000 БТЕ / час) x Шаг 1.b (24 часа / день) x Шаг 1.c
      (3 дня). = 1 080 000 БТЕ ___________

   е.Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1. = 100 фунтов / куб.фут ___________

   f. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1. = 0,2 БТЕ / фунт ° F ___________

   г. Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: в среднем 50-75 ° F (см.
      обсуждение выше). = 50 ° F -----------

   час Нагрев на кубический фут материала для хранения: Шаг 1.e (100 фунтов / куб.фут) x Шаг 1.f.
      (0,2 БТЕ / фунт ° F) x Шаг 1.g (50 ° F). = 1000 БТЕ / куб. Фут ___________

   я. Требуемый объем хранилища с использованием камня: Шаг 1.d (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 1.h
      (1000 БТЕ / куб. Фут). = 1080 куб. Футов ____________

2. Требуемый объем при использовании ВОДЫ в качестве носителя для хранения данных.

   а. Общее необходимое количество тепла: то же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 куб. Футов ___________

   б. Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1.= 62,4 фунта / куб. Фут ___________

   c. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из Таблицы 1. = 1 БТЕ / фунт ° F ___________

   d. Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: То же, что и в шаге 1.g. = 50 ° F ___________

   е. Тепло на куб. футов материала для хранения: Шаг 2.b (62,4 фунта / куб. фут) x Шаг 2.c
(1 БТЕ / фунт ° F) x Шаг 2.d (50 ° F). = 3120 БТЕ / куб. Фут __________

   f. Требуемый объем хранения с использованием воды: Шаг 2.a (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 2. e
      (3120 БТЕ / куб. Фут.). = 346 куб. Футов ___________

3. Требуемый объем при использовании СОЛИ ГЛАУБЕРА в качестве носителя.

   а. Общее необходимое количество тепла: то же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 БТЕ ___________

   б. Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1. = 56 фунтов / куб.фут ___________

   c Скрытая теплота аккумулирующего материала: из таблицы 1.= 108 БТЕ / фунт ___________

   d. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1.

                            * Температура выше фазового перехода = 0,8 БТЕ / фунт ° F ___________
                            ** Температура ниже фазового перехода = 0,5 БТЕ / фунт ° F ___________

   е. Разница температур между фазовым переходом (90 ° F) и хранением
      максимум (130 ° F) и минимум (80 ° F): см. обсуждение температурного диапазона
      выше.* Разница температур выше фазового перехода = 40 ° F ___________
                                    ** Разница температур ниже фазового перехода = 10 ° F ___________

  f. Нагрев на фунт материала для хранения: Шаг 3.c + (Шаг 3.d * x Шаг 3.e *) + (Шаг 3.d **
     x Шаг 3.e **). Пример: 108 БТЕ / фунт. + (0,8 БТЕ / фунт ° F x 40 ° F) + (0,5 БТЕ / фунт ° F x
     10F) = 108 БТЕ / фунт.+ 32 БТЕ / фунт. + 5 БТЕ / фунт. = 145 БТЕ / фунт ___________

  г. Нагрев на куб. футов материала для хранения: Шаг 3.b (56 фунтов / куб. фут) x
     Шаг 3.f (145 БТЕ / фунт). = 8120 БТЕ / куб. Фут ___________

  час Требуемый объем хранилища при использовании глауберовской соли: Шаг 3.a (1 080 000 БТЕ) ÷
     Шаг 3.g (8120 БТЕ / куб. Фут.). = 133 куб. Футов ___________

 

---

Где должен быть мой солнечный накопитель тепла?

Как правило, для отопления жилых помещений содержится в самом доме.Так как это тяжело. лучший расположение в подвале или на нижнем уровне — и на бетоне. нет деревянные опорные элементы. Внутреннее хранилище должно иметь некоторая изоляция, особенно если хранилище заряжается во время лето. Однако его не нужно изолировать так сильно, как снаружи. хранение, так как тепловые потери идут непосредственно на отопление дома.

Хранилище также может быть расположено снаружи дома либо в на земле или в неотапливаемом здании.при условии, что он хорошо изолирован. Сухой, хорошо дренированная почва действует как подходящая изоляция в хранилище похоронен снаружи; подземное хранилище также обеспечивает более удобную жизнь место в доме.

Важна ли форма теплонакопителя?

Важность конфигурации хранилища зависит от используемый материал для хранения. Хранилища жидкостей обычно хранятся в одиночный большой танк. Использование нескольких резервуаров меньшего размера позволит максимизация температуры в меньшем объеме, вместо того, чтобы нагрейте весь объем одной емкости.Однако из-за стоимости нескольких резервуаров и связанных с ними проблем с клапанами, а также потому, что значительная вертикальная температурная стратификация в воде бак, рекомендуемая процедура — использовать один бак и взлетать вода вверху, где она наиболее теплая.

Эффективность склада очень зависит от конфигурация. Основная проблема при проектировании хранилища горных пород заключается в минимизации падения давления в воздушном потоке через хранилище.В как правило, чем короче расстояние, которое должен пройти воздух, и тем ниже расход воздуха, тем меньше будет перепад давления.

Минимальная длина, необходимая для адекватной теплопередачи внутри накопление зависит от расхода воздуха, коэффициента теплопередачи воздуха к рок, и площадь поперечного сечения. В нормальных условиях эксплуатации эта минимальная длина довольно мала. Следовательно, чем короче хранилище может быть (в пределах разумного), чем ниже эксплуатационные Стоимость.Как правило, скорость воздушного потока 20-30 футов в минуту невысока. желательно. Площадь хранения можно приблизительно определить, разделив общий расход воздуха из коллектора (в кубических расходах в минуту) от скорость (в футах в минуту).

Хотя воздух можно продувать через пласт в горизонтальном направлении, эффективная система предназначена для вертикального воздушного потока. Горячий воздух из коллектора выдувается сверху, а холодный воздух возвращается обратно к коллектору снизу.Когда требуется тепло для нагрева в комнате воздушный поток меняется на противоположный.

Может ли дополнительная изоляция уменьшить требуемый объем хранения (и стоимость)?

Поскольку потребность здания в отоплении определяет количество солнечной энергии. тепло, которое необходимо собирать и хранить, снижение этого требования приведет к также уменьшите площадь коллектора и емкость хранилища нужный. Обычно самый дешевый способ уменьшить теплопотери — это правильная изоляция. Фактически, деньги, сэкономленные за счет меньшего объема хранилища площадь, складские материалы и площадь коллектора часто больше, чем окупается дополнительная изоляция.

Насколько добавление изоляции может снизить стоимость система солнечного отопления зависит от ряда факторов, таких как структурная прочность здания, существующий уровень теплоизоляции, тепло материал для хранения и т. д. Но можно сэкономить важно, как показывает пример на Рабочем листе II. Используйте рабочий лист для определения требований к отоплению и последующему сбору-хранению объем системы и стоимость при текущем уровне изоляции, а затем на «должных» уровнях.Как правило, хранилище следует изолировать от значение R-11, если в отапливаемой зоне, и R-30, если в неотапливаемой зоне. площадь.

На что следует обращать внимание или о чем спрашивать при покупке коммерческого отопления устройство хранения?

Если прогнозируемый строительный «бум», связанный с солнечной энергией, действительно становится реальностью, наверняка возникнут какие-то однодневки компании, которые попытаются воспользоваться «незнанием потребителей» относительно систем хранения солнечного тепла и материалов.Защищать себя из этих фирм, а также иметь основу для мудрых варианты, следуйте этой предложенной процедуре:

1. Остерегайтесь систем «черного ящика». Знайте, что в системе и как он действует.

2. Если вы не знакомы с компанией, проверьте ее через Better Бизнес-бюро или аналогичная организация.

3. Свяжитесь с кем-нибудь, у кого уже есть один из устройства хранения данных; они могут многое рассказать о типе выступления ожидать.Будьте очень осторожны, если продавец не может или не даст вам клиенты, с которыми нужно связаться.

4. Получите письменные претензии компании перед покупкой система. Также получите их, чтобы гарантировать заданный уровень производительности и замените все неисправные детали.

5. Попросите показать проектные расчеты системы и ознакомьтесь с ними. использование имеющихся справочных материалов или получение помощи от вашего округа Дополнительный офис.

6. Если система требует использования теплоаккумулирующего материала, например рок, рассчитайте его стоимость, если бы вы купили его сами.Это будет дать вам представление об объеме затрат на рабочую силу и рекламные расходы. в сделке.

7. Если система требует предварительно упакованных PCM. попросить посмотреть данные компании, подтверждающие заявления о тепловой мощности, скрытой теплоте и ожидаемый срок полезного использования. Помните, что заявления о том, сколько раз Материал для хранения ПКМ не так важен, как количество тепло поглощается и выделяется в каждом цикле. Если безводная соль держится оседая, эффективность хранилища со временем снижается, но PCM будет продолжать цикл (на уровне 60 БТЕ на фунт вместо 108 БТЕ).

Публикации по теме

Единичные копии следующих публикаций Purdue Extension доступны вопросы солнечного отопления и энергосбережения жителям Индианы из их окружного офиса или написав в Центр распространения СМИ, 301 South Second Street, Лафайет, Индиана, 47901–1232.

Солнечное отопление для дома, фермы и малого бизнеса (AE-88)

---

Рабочий лист II. Определение эффекта дополнительной изоляции

по объему и стоимости теплоаккумулятора и коллектора

Пример: Типичный квадратный двухэтажный дом.с площадью поверхности крыши 1267 квадратных футов и площадь стены 2400 квадратных футов должны быть солнечное отопление. В настоящее время он имеет только 6 дюймов изоляции. стекловолокно (значение проводимости 0,053 БТЕ / час- ° F-кв. фут. в крыше и 1 дюйм древесноволокнистой плиты (значение проводимости 0,33 БТЕ / час- ° F-кв. фут) в стены. Внутренняя температура будет поддерживаться на уровне 70 ° F: ожидается. внешняя низкая температура составляет 10 ° F. Должен ли владелец оформить воздух коллектор и глауберова система хранения соли для дома потребность в отоплении.или стоит добавить еще 6 дюймов изоляция в крыше и 3 1/2 дюйма в стенах?

                                                                                Наш Ваш
           Пример ситуации с позициями и расчетами

1.Требования к отоплению здания с существующей изоляцией.

   а. Разница между внутренней и внешней температурой: из примера выше
        (70 ° F - 10 ° F).= 60 ° F _____________

   б. Площади кровли и стен; Из примера выше.
* Корневая площадь = 1267 кв.футов _____________
** площадь стен = 2400 кв. футов _____________

   c. Значение проводимости для данного типа и толщины изоляции:
      Обратитесь к дилеру строительных материалов. (Пример: крыша, 6 дюймов.
      стекловолокно; стена, ДВП толщиной 1 дюйм).
                                                        * Утеплитель крыши =.053 БТЕ / ч
° F-кв.фут _____________
                                                        ** Изоляция стен = 0,33 БТЕ / ч.
° F-кв.фут _____________

   d. Потери тепла через крышу: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b * (1267 кв. Футов)
      x Шаг 1.c * (0,053 - БТЕ / ч- ° F-кв.фут). = 4029 БТЕ / час ______________

   е. Потери тепла от стен: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b * (2400 квадратных футов) x
      Шаг 1.c ** (0,33 БТЕ / ч.- ° F-кв.фут). = 47 520 БТЕ / час ______________

  е. Общая текущая потребность в тепле: Шаг 1.d (4029 БТЕ / час) + Шаг 1.e
    (47 520 БТЕ / час). = 51 549 БТЕ / час ______________

2. количество и стоимость складских материалов для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.

  а. Часов в день: 24. = 24 часа в сутки _____________

  б. Желаемый запас аккумулирования тепла: Сред. 3-5 дней. = 3 дня _____________

  c.Теплоемкость накопительного материала: для глауберовской соли,
     см. Рабочий лист I, Шаг 3.f

  d. Стоимость единицы складского материала: уточняйте у поставщика. = 0,25 доллара США / фунт _____________
 
  е. Общий необходимый для хранения материал: (Шаг 1.f x Шаг 2.a x Шаг 2.b) ÷ Шаг 2.c.
     Пример: (51549 БТЕ / час x 24 часа в день x 3 дня) ÷ 145 БТЕ / фунт.
     = 3,711,526 БТЕ ÷ 145 БТЕ / фунт. = 25 597 фунтов _____________

  е. Общая стоимость необходимых складских материалов: Шаг 2.е. (25 597 фунтов) x Шаг 2.d
    (0,25 доллара США за фунт). = 6399 долларов США ______________

3. Размер и стоимость коллектора для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.

   а. Желаемая способность к накоплению потребности в отоплении: в среднем 2 дня. = 2 дня ______________

   б. Уровень радиации для коллектора: уточните у поставщика. = 1000 БТЕ / кв.фут ______________

   c. Стоимость за квадратный фут коллектора: уточняйте у поставщика.= $ 1,00 / кв.фут ______________

   d. Общая необходимая площадь коллектора: (Шаг 1.f x Шаг 2.a x Шаг 3.a) ÷ Шаг 3.b.
      Пример: (51549 БТЕ / час x 24 часа в день x 2 дня) ÷ 1000 БТЕ / кв.фут
      = 2,474,352 БТЕ ÷ 1000 БТЕ / кв. Фут. = 2474 кв. Фута ______________

   е. Общая стоимость коллектора: Шаг 3.d (2474 кв. Фута) x
       Шаг 3.c (1,00 долл. США / кв. Фут). = 2474 доллара США ______________

4.Потребность в отоплении здания с дополнительной изоляцией

  а. Текущее значение проводимости + дополнительная изоляция: Шаг 1.c + добавлено
     изоляция. (Пример: крыша 6 из стекловолокна + пенополистирол 6 дюймов; стена 1 дюйм.
     ДВП + 3-1 / 2 дюйма, пенополистирол
                                               * Изоляция корня = 0,026 БТЕ / ч- ______________
° F-кв.фут
** Изоляция стен = 0,071 БТЕ / ч- ______________
° F-кв.футов
                           
  б. Потери тепла через крышу: Шаг 1.a (60 ° F. X Шаг 1.b * (1267 кв. Футов)
     x Шаг 4.a * (0,026 БТЕ / ч- ° F-кв.фут) = 1977 БТЕ / ч ______________

  c. Потери тепла через стены: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b ** (2400 кв. Футов)
     x Шаг 4.a ** (0,071 БТЕ / ч) - ° F-кв.фут). = 10224 БТЕ / час ______________

  d. Общая потребность в отоплении с дополнительной изоляцией: Шаг 4.b (1977 БТЕ / час) +
      Шаг 4.c (10224 БТЕ / час) = 12 201 БТЕ / час _____________

5. Количество и стоимость складского материала для обеспечения «дополнительной изоляции».
  потребность в отоплении

  а. Общий необходимый для хранения материал: (Шаг 4.d x Шаг 2.a x Шаг 2.b) ÷ Шаг 2.c
     Пример: (12 201 БТЕ / час x 24 часа в день x 3 дня ÷ 145 БТЕ / кв.фут =
     878 472 БТЕ ÷ 145 БТЕ / фунт = 6058 фунтов _____________

  б. Общая стоимость необходимых складских материалов:
     Шаг 5.a (6058 фунтов) x Шаг 2.d (0,25 доллара США / фунт) = 1515 долларов США _____________

6. Размер и стоимость коллектора с учетом «дополнительной теплоизоляции» отопления.
  требование

  а. Общая необходимая площадь коллектора: (Шаг 4.d x Шаг 2.a x Шаг 3.a) ÷ Шаг 3.b.
     Пример: (12 201 БТЕ / час x 24 часа / день x 2 дня) - 1000 БТЕ / кв. Фут. знак равно
     585648 БТЕ ÷ 1000 БТЕ / кв. Фут. = 586 кв. Футов ______________

  б. Общая стоимость коллектора:
       Шаг 6.а. (586 кв. Футов) x Шаг 3.c (1,00 долл. США / кв. Фут). = 586 долларов США ______________

7. Экономия затрат на тепловую систему за счет добавления теплоизоляции.

  а. Удельная стоимость изоляции: уточняйте у поставщика. Пример: 6 дюймов и 3-1 / 2 дюйма.
    коврики.
* 6 дюймов коврики = 0,20 доллара США / кв.фут ______________
** 3-1 / 2 дюйма = 0,12 доллара США за квадратный фут ______________
                                            
  б. Стоимость дополнительной изоляции: (Шаг 1.b * x Шаг 7.a *) + (Шаг 1.b ** x Шаг 7.а **).
     Пример: (1267 кв. Футов x 0,20 $ / кв. Фут) + (2400 кв. Футов x 0,12 $ / кв. Фут)
     = 253 + 288 долларов. = 541 доллар США ______________

  c. Общая стоимость тепловой системы с существующей изоляцией: Шаг 2.f (6399 долларов США) + Шаг 3.e
    (2474 доллара США). = 8823 долл. США ______________

  d. Общая стоимость тепловой системы с дополнительной изоляцией: Шаг 5.b (1515 долларов США) + Шаг 6.b
      (586 долларов США) + Шаг 7.b (541 доллар США). = 2642 доллара США ______________

  е.«Экономия» за счет изоляции: Шаг 7.c (8873 долл. США) -
       Шаг 7.d (2642 доллара США). = 6231 долл. США ______________

 

---

Новый 9/78

Кооперативная консультативная работа в сельском хозяйстве и домохозяйстве, состояние Индиана, Университет Пердью и Министерство сельского хозяйства США. Сотрудничество; Х.А. Уодсворт, директор, West Lafayette, IN. Выдается в исполнение актов 8 мая и 30 июня 1914 г.Кооператив Служба распространения знаний Университета Пердью — это позитивное действие / равное возможность учреждения.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Усовершенствованный дизайн ямочного накопителя тепла размером в гигабайт

Рентабельная, проверенная временем концепция сезонного ямочного накопления тепла в Дании должна быть изменена, если она будет реализована по всей Европе, так как температуры централизованного теплоснабжения выше, а грунтовые воды могут быть всего от 5 до 15 метров от поверхности. Поэтому участники исследовательской платформы Task 55 (На пути к интеграции больших солнечных систем в сети централизованного теплоснабжения и охлаждения) создали альтернативные конструкции и протестировали улучшенные футеровки для использования в ямных хранилищах тепла объемом от 100 000 до 2 миллионов м ³ .Кроме того, они подсчитали, сколько денег можно сэкономить благодаря этим изменениям. Выводы исследователя вскоре будут опубликованы в отчете и информационном бюллетене под названием Solar DH — сетевая гидравлика и точки снабжения. Оба будут доступны для загрузки с веб-сайта IEA SHC Task 55: https://task55.iea-shc.org. На фотографии показана ямная система хранения тепла, сооружаемая в Тибете, Китай, с водонепроницаемым покрытием дна.

Фото: Arcon-Sunmark Large-Scale Solar Systems Integration

«Благодаря тесному сотрудничеству между промышленностью и исследовательскими институтами технология, лежащая в основе лайнеров, поднялась на новый уровень», — сказал Вим ван Хельден из австрийского исследовательского института AEE INTEC.Он возглавляет проект giga_TES, который должен внести свой вклад в запланированные публикации Задачи 55. Название проекта сокращенно от накопления тепловой энергии (TES) с огромными объемами до 2 миллионов м 3 ³ — размер стадиона Эрнст Хаппель в столице Австрии Вене.

Футеровка представляет собой прочную полимерную пленку толщиной от 2 до 3 мм, изолирующую объем ямы для хранения от окружающей почвы. В системах хранения в Дании используются лайнеры из полиэтилена, так как температура воды в ямах не превышает 85 ° C в течение всего года.

«Гигантские системы хранения, которые планируется построить в австрийских городах Вена и Зальцбург, требуют постоянной температуры 95 ° C наверху, поэтому расчетный срок службы полиэтиленовых лайнеров составляет 10 лет», — сказал ван Helden. Поэтому австрийский университет Иоганна Кеплера (JKU) и Agru Kunststofftechnik разработали новое поколение футеровок на основе полипропилена (PP) и стабилизаторов. Испытание на ускоренное старение, проведенное JKU в Линце, показало, что эти полипропиленовые футеровки прослужат значительно дольше, то есть до 30 лет, при температуре 95 ° C.

Оптимизированные конструкции с насыпью и вертикальными стенами

Датские ямные системы хранения тепловой энергии имеют насыпи по краям, чтобы вываливать почву из ямы и удерживать бассейн над грунтовыми водами. Окружающие стены расположены под углом, чтобы предотвратить соскальзывание грунта вниз, а плавучая изоляция закрывает бассейн (см. Рис. 1).

Рисунок 1: Типовая датская конструкция PTES

Диаграмма: AEE INTEC

«Если вы хотите использовать датский карьерный склад в Австрии, вы столкнетесь с рядом проблем», — сказал ван Хелден.«Ямы размером с гигабайты обычно располагаются рядом с густонаселенными городами, где пространство дорогое, а грунтовые воды едва находятся ниже поверхности». Таким образом, команда giga_TES разработала хранилище цилиндрической формы с вертикальными стенками, площадь которого меньше (см. Рис. 2), чем у его датского аналога. Это также снижает затраты, поскольку покрытие является наиболее дорогим элементом накопления тепловой энергии в карьерах, на него приходится две трети общих инвестиций, как показывает технико-экономическое исследование Университета Инсбрука (UIBK), Австрия (см. Рис. .3).

Дизайн giga_TES добавляет ряд функций к базовой датской концепции:

• Г-образные бетонные элементы удерживают насыпь на месте, ведущую к вертикальной стене.
• Стенки мембраны, составляющие вертикальную часть цилиндра, стабилизированы анкерами.
• Заглубленные в землю стены вокруг котлована предотвращают контакт с грунтовыми водами и сохраняют стены сухими.
• Доступная плавающая крышка.

Рис. 2: Ямный накопитель тепла Giga_TES подходит для участков, где грунтовые воды находятся чуть ниже поверхности Источник: ste.п ZT

Сравнение стоимости различных конструкций ямных аккумуляторов

Кроме того, исследователи хотели узнать, как более строгие требования к проекту giga_TES влияют на затраты (см. Рис. 3). Согласно расчетам UIBK, датское карьерное хранилище тепловой энергии может быть построено с удельными затратами от 20 евро / м ³ до 40 евро / м ³ , диапазон подтвержден датской консультационной компанией PlanEnergi оценкой существующих резервуаров шахтного типа. Например, с 2014 по 2015 год в Военсе было построено ямное хранилище тепла объемом 210 000 м³ за 24 евро / м³.

Используя ту же методологию, UIBK подсчитал, что проекты хранилищ giga_TES будут в три раза дороже и будут варьироваться от 60 евро / м ³ до 120 евро / м ³ . В партнерстве с австрийской строительной фирмой PORR университет продолжает совершенствовать строительные материалы, методы и конструкции, чтобы еще больше сократить расходы. И все же его исследовательская группа также подчеркнула, что такого рода огромные инфраструктурные проекты будут осуществимы только в том случае, если они будут поддерживаться стабильной политической структурой.

Рис. 3: Сравнение стоимости датского проекта карьера и накопителя тепла giga_TES Источник: Университет Инсбрука

Организаций, упомянутых в статье:

Накопитель тепла

PCM, заряженный солнечной системой с двойным отражателем

A «Солнечная соль» (NaNO ₃ –KNO ₃ молярная смесь 60: 40) аккумулирующая скрытая теплота заряжена прямым солнечным освещением. Солнечная соль в качестве материала с фазовым переходом (PCM) может быть привлекательным решением для аккумулирования тепла в небольших масштабах, так как температура плавления около 220 ° C может быть подходящей для приготовления пищи.Испытания проводились на установке с двойным отражателем. В этой установке вторичный отражатель, расположенный над точкой фокусировки первичного отражателя, направляет лучи на накопитель тепла, расположенный под отверстием в первичном отражателе. Отражатели следят за солнцем, но хранилище неподвижно. Прямое освещение верхней пластины поглотителя во время слежения за солнцем расплавило соль в хранилище через проводящие ребра. Это система, в которой портативные тепловые батареи можно заряжать в солнечные часы, а затем подавать тепло для приготовления пищи в вечернее время.

1. Введение

Большинство населения Мозамбика проживает в сельских районах, при этом почти 75% населения не подключены к электросети. Большинство людей в Мозамбике полагаются на какую-либо форму биомассы для приготовления пищи; более 80% первичной энергии в стране производится из биомассы [1]. Ресурсы биомассы для приготовления пищи, однако, становятся все более дефицитными из-за обезлесения и изменений в землепользовании [2, 3]. Скорость обезлесения в Мозамбике оценивается в 5 человек.6% [4]. Это также увеличивает нагрузку на женщин и детей, которые тратят все больше времени на сбор дров, чтобы удовлетворить повседневные потребности семьи в энергии для приготовления пищи.

Мозамбик имеет хорошую интенсивность солнечного излучения со среднегодовым значением кВтч / м 2 ² [1, 2, 5]. Таким образом, прямой сбор солнечной тепловой энергии может быть источником энергии для множества бытовых нужд (приготовление пищи, выпечка, жарка, горячая вода, пастеризация и т. Д.) В сельских районах Мозамбика, как в качестве автономных единиц, так и в виде единиц, интегрированных в гибридные. системы (солнечные фотоэлектрические, ветровые и гидроэнергетические).Использование солнечной энергии для приготовления пищи также имеет другие косвенные преимущества, такие как больше времени для женщин и детей, чтобы посвятить себя их образовательной деятельности; улучшенная внутренняя среда; и меньший риск несчастных случаев с ожогами.

Solar Cooker International (SCI) [6] предоставляет обширную информацию о солнечных плитах. Самая распространенная технология солнечных плит — это плиты прямого действия. Однако плиты с прямым солнечным излучением можно использовать только в периоды прямого солнечного света. Таким образом, кухонные плиты прямого действия имеют ограниченное применение, когда солнце светит с перебоями и с переходом облаков.Перемежаемость солнечного света, риски, связанные с отраженным излучением, и отсутствие культурного признания — вот некоторые из факторов, ограничивших использование солнечных плит в Мозамбике, как обсуждал Отте [7].

Чтобы преодолеть некоторые ограничения прямых солнечных батарей, в солнечную систему может быть встроен накопитель тепла. Солнечное тепло может быть собрано, пока солнце доступно, и сохранено для дальнейшего использования. Можно рассмотреть два метода нагрева. Один из них — использовать теплоноситель (HTF) в контуре теплообмена между ресивером в фокусной точке и накопителем тепла (HS).Здесь тестируется другой метод прямого освещения хранилища, с конфигурацией двойного отражателя.

2. Общие сведения о накоплении тепла

2.1. Накопление тепла

Обычно существует два общих метода хранения тепловой энергии: в виде явного тепла или в виде скрытого тепла. В первом случае тепловая энергия накапливается в материале за счет повышения его температуры, а во втором — тепловая энергия сохраняется во время фазового перехода, обычно близкого к изотермическому процессу. Другие методы основаны на химии, когда энергия накапливается и высвобождается во время химических реакций в обратимом процессе.

Скрытое накопление тепла (LHS) кажется одним из наиболее многообещающих форм хранения тепловой энергии. PCM с высокой скрытой теплотой могут накапливать и выделять большое количество энергии во время плавления и затвердевания при постоянной температуре.

Если температура вещества с температурой фазового перехода повышается с до такой степени, что количество энергии, запасаемой материалом с массой и удельной теплоемкостью, определяется выражением: Здесь и — удельная теплоемкость материала. при постоянном давлении в начальной фазе и фазе после перехода соответственно, а — удельная теплота фазового превращения.

Предполагая, что удельные и не изменяются с температурой, приведенная выше формула приводит к следующей линейной зависимости: В зависимости от диапазона температур ПКМ могут использоваться как системы хранения как явной, так и скрытой теплоты, как далее обсуждает Глатцмайер [9].

Практически все фазовые переходы можно рассматривать как потенциальные накопители скрытой теплоты. Переходы твердое тело-жидкость часто предпочтительнее по сравнению с другими переходами, так как переход твердое тело-жидкость близок к несжимаемому; для более подробной информации см. подробное обсуждение Sharma et al.[10].

В целом, чтобы считаться подходящим материалом для хранения, ПКМ должны обладать желаемыми теплофизическими, кинетическими и химическими свойствами, а также должны быть решены связанные с этим вопросы экономики и безопасности [3, 10]. Действительно, как отмечено в [9], основным ограничением PCM является ограничение теплопередачи во время циклов зарядки и разрядки, обычно вызванное низкой теплопроводностью твердой фазы, что, в свою очередь, приводит к низкой плотности мощности. Чтобы преодолеть это ограничение, в PCM могут быть вставлены усилители теплопередачи.

В обзорной статье, в основном посвященной PCM, Sharma et al. [10] представляют краткое, но широкое обсуждение преимуществ систем накопления тепловой энергии, различных типов накопителей тепловой энергии и распространенных материалов для накопителей, включая их ограничения. Авторы приходят к выводу, что ПКМ являются эффективным средством хранения тепловой энергии из-за высокой плотности хранения энергии и того факта, что тепловая энергия сохраняется изотермически. PCM имеют большой диапазон температур плавления, поэтому можно проектировать системы аккумулирования тепла PCM для конкретных применений.

2.2. Солнечные плиты с аккумулированием тепла

Большинство конструкций солнечных плит не включают аккумуляторы тепла, что ограничивает полезность таких солнечных плит периодами непрерывного прямого солнечного света. Akinwale [11] предполагает, что, несмотря на признанные преимущества использования солнечной энергии для приготовления пищи с точки зрения энергии и окружающей среды, эти ограничения являются ограничивающими факторами для принятия солнечной энергии в качестве альтернативы традиционному приготовлению пищи. Преимущества использования аккумуляторов тепла в солнечных системах признаны в нескольких исследованиях [10, 12].

Были предприняты важные исследования по материалам для аккумулирования тепла для солнечной энергетики, а также для ряда других приложений, но очень немногие из них были нацелены на варианты аккумулирования тепла для солнечных плит [10]. В настоящее время возрастает интерес к исследованию систем хранения солнечной тепловой энергии для небольших солнечных кухонь [8, 13–15].

В 1994 году Уилсон (ссылка на него приведена в [11]) разработал концепцию солнечной плиты с двойным отражателем и аккумулированием тепла.Отражатели представляют собой две параболы, в которых вторичный отражатель расположен в фокусе первичного отражателя и направляет солнечные лучи на расположенный под ним аккумулятор тепла. Akinwale [11] разработал и испытал прототип солнечной плиты, используя концепцию Уилсона в 2006 году. Нитрат лития, помещенный в модули, использовался в качестве материала для хранения, и модули были помещены в изолированный контейнер после зарядки. Испытания показали, что эта система способна сохранять тепло при постоянной температуре около 258 ° C до 6 часов и, таким образом, обеспечивать полезное тепло для приготовления пищи в течение этого периода.Материал для хранения также мог оставаться при температурах выше точки кипения воды при нормальном атмосферном давлении до 25 часов.

Buddhi и Sahoo [16] использовали стеариновую кислоту в качестве TES в солнечной плите коробчатого типа и протестировали систему с загрузкой для готовки и без загрузки для готовки. Результаты сравнивались с результатами исследований производительности обычных солнечных батарей, о которых сообщалось в литературе. Результаты с хранилищем PCM подтвердили возможность приготовления пищи на солнце даже в отсутствие солнечного излучения.

Sharma et al. [17] спроектировали, разработали и испытали солнечную плиту на основе солнечного коллектора с откачанной трубкой, интегрированного с PCM (коммерческий эритритол). В качестве HTF использовалась вода, и насос перекачивал воду из коллектора в хранилище. Авторы провели испытания на кипение после загрузки хранилища до температуры 130 ° C. Однако соотношение накопленной энергии к солнечной радиации было несколько низким, и система считалась дорогостоящей для общин с низким доходом.

Schwarzer et al. [18] разработали несколько версий солнечной плиты, с ТЭС и без нее. В системе используется термомасло в качестве теплоносителя с естественной циркуляцией в медных трубах. Трубы можно удлинить за стеной, чтобы можно было готовить в помещении. Тепловой КПД был экспериментально определен с использованием теста на кипение воды и составил около 40%.

Saxena et al. [19] исследовали различные PCM, чтобы выяснить их пригодность в качестве TES для приготовления пищи с использованием солнечной плиты коробчатого типа.Стеариновая кислота была выбрана в качестве подходящего PCM и использовалась в экспериментах с солнечными батареями, с накоплением тепла и без него. Стеарин из-за его доступности и низкой стоимости (в Индии) широко используется в качестве материала для аккумулирования тепла. Исследования производительности двух солнечных плит проводились с использованием тестов на температуру застоя и испытаний на кипение воды в условиях нагрузки. Плита с теплоаккумулятором показала хорошие результаты.

Mussard et al. [15] провели сравнительное экспериментальное исследование прямой варки с концентратором SK14 [15] и непрямой варкой с параболической системой желоба с естественной циркуляцией масла из абсорбера в накопитель тепла «солнечная соль».Сравнение тепловых характеристик проводилось с помощью теста на кипячение воды и теста на жарку мяса. Проблема с приготовлением пищи поверх накопителя тепла заключается в том, что дефекты на поверхности ограничивают тепловой контакт между кастрюлей и поверхностью для хранения. Верхнюю тарелку отсека можно использовать непосредственно как жарочную поверхность. Кастрюля в SK14 освещается напрямую, в том числе по бокам кастрюли, тогда как плоскую сковороду в SK14 использовать сложнее.

В данной работе тестируется система двойного отражателя для прямого освещения теплоаккумулятора.Работа является продолжением работы, проделанной Foong et al. [8], теперь с увеличенной версией тестовой установки. Цель состоит в том, чтобы оценить энергоэффективность системы, в которой солнечные тепловые батареи на основе ПКМ заряжаются непосредственно от солнечного света. Батареи рассчитаны на переносные размеры и обеспечивают достаточную энергию для приготовления одной еды. Остаточное тепло можно использовать для обогрева помещения, а тепловую батарею можно подзарядить на следующий день.

3. Тестовая система

Система, состоящая из первичного отражателя, вторичного отражателя и PCM HS, содержащая бинарную смесь нитрата натрия и нитрата калия (NaNO ₃ –KNO ₃ ) при соотношении компонентов 60: В этом эксперименте использовалось 40 (мол.%).

Основная тарелка сделана из алюминия (ранее производилась как антенна) и покрыта отражающей алюминиевой плиткой с коэффициентом отражения 90%. Диаметр 2000 мм, высота 377 мм. Диаметр вторичной тарелки составляет 305 мм, а высота — 67 мм, и она также была покрыта световозвращающей пленкой Kindman с самоклеящейся моделью № K-MF98 с коэффициентом отражения 98%. Чтобы вторичный отражатель находился в оптимальном положении над первичным отражателем, в качестве опор используются 4 ножки с регулируемыми зажимами.Отражатели были построены в контексте магистерской диссертации; подробнее см. Сивертсен [20].

Цилиндрический алюминиевый контейнер с внутренним диаметром 190 мм, высотой 200 мм и толщиной стенок 5 мм использовался в качестве держателя для ПКМ. Алюминиевые ребра используются для передачи тепла от алюминиевой верхней пластины абсорбера к PCM. Блок хранения был построен и проанализирован с помощью вычислений Фуном [13] и модифицирован в контексте магистерской диссертации [20] путем увеличения толщины изоляции из аэрогеля с 1 см до 5 см.

В данном исследовании поглотитель интегрирован в хранилище. Было установлено, что коэффициент концентрации для системы равен площади апертуры первичного отражателя, а — площади поглотителя.

Первичный отражатель имеет центральное отверстие 290 мм, позволяющее солнечным лучам, исходящим от вторичного отражателя, попадать на верхнюю пластину поглотителя стационарного теплоаккумулятора под первичным отражателем; см. схему на рис. 1 и фотографию на рис. 5. Если оба отражателя имеют одну и ту же точку фокусировки, лучи, исходящие от вторичной обмотки, будут параллельны.Тогда расстояние между вершинами двух отражателей равно, где мм и мм — фокусное расстояние первичного и вторичного отражателей соответственно. При небольшом увеличении вторичного отражателя лучи будут в некоторой степени фокусироваться на пластине накапливающего поглотителя, как показано с трассировщиком лучей на рис. 1.

Двойной отражатель (рис. 2) имеет двухосную систему слежения за солнцем. где два двигателя с шестернями (рис. 3) управляются коммерческим контроллером с 4 светодиодами.Горизонтальная ось вращения расположена близко к поверхности накопителя тепла, а вертикальная ось вращения находится в центре накопителя, как показано на Рисунке 4.

В то время как следы двойного отражателя На солнце накопитель PCM остается неподвижным в вертикальном положении под основным отражателем. Таким образом, при вращательном движении вокруг горизонтальной оси двойной отражатель вращается относительно накопителя. При такой установке распределение солнечного света на верхней пластине теплоаккумулятора будет несимметричным, поскольку освещение будет приходить под углом.Хранилище нельзя наклонять, его следует держать в горизонтальном положении, чтобы не допустить утечки расплавленного ПКМ с верхнего края. Верхняя пластина намеренно не закрывается герметично. Некоторое открытие для давления окружающей среды гарантирует, что хранилище не будет находиться под давлением, поскольку соль расширяется при плавлении.

Три термопары, расположенные на разных уровнях в PCM HS, рис. 5, были записаны с помощью регистратора данных (программа LabView) во время нагрева хранилища. Четвертая термопара размещалась на вторичном отражателе для контроля его температуры.

Термографическая камера FLIR E60, рис. 6, от компании Fluke также использовалась для сканирования температуры на поглощающей верхней пластине хранилища, как показано на рис. 7.

Тепловой КПД — это отношение накопленного тепла к солнечное излучение, полученное от солнца. Он определяется на основе измерений во временном интервале: где — средняя интенсивность луча: тепло, накопленное в PCM HS во время эксперимента, можно рассчитать на основе записей температуры и (1).Практический способ реализации удельной энергии плавления состоит в том, чтобы позволить температуре плавления охватить диапазон температур и использовать кажущуюся теплоемкость в этом диапазоне. Мы применяем значения теплоемкости для солнечной соли, как это было экспериментально предложено Фунгом и др. [8]:

4. Результаты и обсуждение

Было проведено испытание, когда система была оставлена ​​на солнце с активным отслеживанием Солнца; см. рисунок на рисунке 2. Повышение температуры в хранилище было зарегистрировано и показано на рисунке 8.

Интенсивность прямого солнечного света непрерывно регистрируется на крыше соседнего здания и также показана для теста на Рисунке 8. Значения вполне типичны для солнечных дней в Тронхейме (800–900 Вт / м ² ), где воздух обычно чистый и сухой. Интенсивность луча во время эксперимента варьировалась от 870 до 830 Вт / м ² во время теста, который длился около 4 часов.

Вторичный отражатель должен быть расположен таким образом, чтобы максимизировать процесс отражения солнечного излучения от первичного отражателя и направлять его на верхний пластинчатый поглотитель PCM HS.Когда достигается это положение, температура на поверхности вторичного отражателя приближается к температуре окружающей среды. Если это не оптимальное положение, эффекты концентрации от основной тарелки могут вызвать локальный нагрев дополнительной тарелки. В текущем тестовом случае температура вторичной посуды обычно составляла 70–80 ° C.

Инфракрасная камера (ИК) использовалась для сканирования температуры в различных точках системы.

На рис. 7 показан термографический снимок верхнего поглотителя PCM HS.Как видно, освещение под углом не является симметричным, и температура горячей точки в этом случае составила 277 ° C на верхней пластине поглотителя PCM HS. Эта температура на 57 ° C выше, чем температура начала процесса плавления смеси. Таким образом, температуры умеренные, что означает небольшой риск перегрева ни алюминия, ни соли во время зарядки. Умеренные скорости теплопередачи также означают, что градиенты температуры внутри соли будут умеренными.

На рис. 8 показаны профили переходной температуры в трех точках в пределах ГС, поведение излучения пучка и температура на вторичном отражателе.

Форма температурных кривых и конечные записи температуры около 250 ° C указывают на то, что соль расплавилась в конце эксперимента. С 14:33 до 15:45 профили температуры имеют тенденцию быть более постоянными во времени со значениями температуры, близкими к точке плавления твердое тело-жидкость. Точка перегиба — 124 ° C; Foong et al.[8] сообщают о температуре плавления 216 ° C.

Данные первой термопары (), которая измеряет температуру в воздушном зазоре в верхней части хранилища, показывают, что температура воздуха близка к температуре соли (и), что означает, что воздух неподвижен, и конвективные потери из-за утечки воздуха во внутреннюю часть хранилища малы. Кроме того, следует также отметить, что температуры, измеряемые датчиками в трех различных положениях PCM HS, имеют небольшую разницу, вероятно, из-за быстрой проводимости ребер по сравнению с солью.

Эффективность рассчитывалась по (4). Накопленная энергия включает энергию, поглощаемую контейнером + ребрами + поглотителем верхней пластины, все они сделаны из алюминия и имеют общую массу 3,8 кг, а также энергию, поглощаемую 7,5 кг ПКМ. Систему нагревали от 23 ° C до 250 ° C примерно за 4 часа.

Соответствующие теплофизические свойства приведены в таблице 1.

Алюминий PCM Плотность 2700 кг / м 3 Фьюжн 108.67 кДж / кг Удельная теплоемкость 900 Дж / (кг · К) Энтальпия фазового перехода 31,91 кДж / кг Масса 3,8 кг Температура плавления 216 C Масса 7,5 кг

Среднее лучевое излучение во время измерения было оценено в 850 Вт / м ² , что означает около 38.0 МДж энергии от солнца было получено первичным отражателем, и к концу испытания почти 5,0 МДж тепловой энергии было накоплено в HS.

Тогда эффективность зарядки системы составила около 13%. Это довольно низкое значение; ожидается, что солнечный коллектор тепла будет иметь гораздо более высокий КПД. Более высокая эффективность следует ожидать в странах, где солнечная энергия полудня более вертикальна, чем на испытательном полигоне в Норвегии.

Есть несколько источников потерь при передаче солнечного света в тепло в этой системе.(i) Оптические потери — это случай, когда не все излучение, отраженное первичным отражателем, достигает верхней пластины поглотителя. Оптические потери трудно оценить напрямую. С двумя отражателями усиливается распространение ошибки из-за неровностей поверхности. Точность позиционирования вторичного отражателя также является источником ошибок. Вторичный отражатель нагревается, что означает потери из-за неидеальной отражательной способности поверхности. Вертикальное стационарное положение PCM HS также приводит к оптическим потерям, когда солнце опускается на малую высоту и лучи падают на поверхность накопителя под небольшим углом.Теоретически накопитель можно разместить так, чтобы улавливать все лучи, но визуальный осмотр освещения ясно показывает, что оптические неточности приводят к большим потерям; при малых углах высоты Солнца солнечное излучение от вторичного отражателя падает за пределы верхней пластины поглотителя PCM. (ii) Настоящая система слежения за солнцем работала достаточно хорошо для других тестовых конфигураций, но точность слежения становится более важной для двойного отражателя. корпус отражателя [21]. (iii) Потери тепла на излучение и конвекцию от верхнего пластинчатого поглотителя могут быть большими.Поскольку он подвергается воздействию окружающей среды без защиты или укрытия, ветровые условия значительно повлияют на потери. Изоляция из аэрогеля по бокам хранилища, кажется, обеспечивает достаточную боковую изоляцию.

Систему можно оптимизировать, увеличив точность оптической части. Вторичный отражатель может быть несколько больше, иметь скорее эллиптическую, чем параболическую форму, и с высококачественной отражающей поверхностью. Опора для вторичного отражателя должна быть прочной и позволять точную настройку положения.

Конвективные тепловые потери можно уменьшить, установив стеклянный экран поверх хранилища. Однако это также приведет к некоторым дополнительным оптическим потерям из-за частичного отражения солнечных лучей от поверхности стекла, в частности, при малых углах освещения.

5. Выводы

Система с двойным отражателем была испытана на предмет прямого освещения аккумуляторов скрытой теплоты. Идея установки заключается в том, что переносную тепловую батарею можно разместить для зарядки в фиксированном положении фокусировки, поскольку система отражения следует за солнцем в течение дня.Продемонстрирована зарядка накопителя «Солнечная соль», где солнечный луч от отражателей нагревает верхнюю плиту накопителя. Тепло передается соли через проводящие ребра, а тепловой поток меняется на противоположный во время приготовления пищи или жарки на верхней тарелке после захода солнца. Температура плавления Solar Salt составляет около 220 ° C, поэтому она подходит для приготовления пищи или жарки.

Зарядка теплового аккумулятора демонстрируется, но эффективность сбора тепла довольно низкая, около. Систему можно оптимизировать, обеспечив более высокую оптическую точность отражателей и ограничив тепловые потери от верхней пластины.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Благодарности

Авторы благодарны Паулю Свендсену и Мариусу Остнору за техническую помощь в работе. Этот проект является частью совместного проекта по возобновляемой энергии между Норвегией и несколькими африканскими университетами в рамках Норвежской программы по энергетике и нефти.

Последние разработки в области аккумулирования тепловой энергии

По мере того, как возобновляемые источники энергии все больше укрепляются в энергетической системе, важность хранения энергии в натуральном выражении будет возрастать.В связи с продолжающимся постепенным отходом от традиционных источников энергии базовой нагрузки разработка эффективных систем хранения энергии является обязательной.

Нравится вам это или нет, но структура энергетики США меняется. По данным Управления энергетической информации, производство ископаемого топлива в США упало на 7% с 2015 по 2016 год. В частности, уголь снизился на 18%, находясь на самом низком уровне с 1978 года. к сланцевому буму упала на 2% с 2015 по 2016 год.

Производство возобновляемой энергии, с другой стороны, увеличилось за этот период на 7%, причем почти четверть этого скачка приходятся на ветровую и солнечную энергию.

Проблема с этим сдвигом, конечно, заключается в потере выработки энергии при базовой нагрузке. Нации нужно электричество 24 часа в сутки, а не только когда светит солнце и дует ветер. К счастью, ответ на эту проблему известен. Возобновляемые источники энергии должны сочетаться с некоторыми формами хранения энергии, такими как батареи, гидроаккумуляторы или накопители тепловой энергии (TES, рисунок 1).

1. Времена меняются. По мере того, как в структуре энергетики США происходит отход от традиционных форм генерации с базовой нагрузкой, накопление тепловой энергии дает возможность возобновляемым источникам энергии заполнить образовавшуюся пустоту. Предоставлено: SolarReserve

На первый взгляд, идея TES довольно проста. Энергия хранится в виде тепла в той или иной форме для использования в будущем. Однако, если углубиться в варианты и приложения для TES, можно увидеть гораздо более сложную картину.

Накопитель тепловой энергии 101

Существует три основных типа систем TES, только один из которых имеет значительную коммерческую доступность в энергетическом секторе. По сравнению с другими вариантами, накопление явного тепла относительно недорогое и намного менее сложное. Скрытые системы хранения энергии и термохимические системы хранения являются дорогостоящими и пока еще в значительной степени экспериментальными.

Явное аккумулирование тепла. Наиболее широко используемой формой ТЭС в секторе производства энергии является физический накопитель тепла.В системе TES явного тепла жидкий или твердый накопитель, такой как вода, расплавленные соли, песок или камни, нагревается или охлаждается для накопления энергии.

Явное аккумулирование тепла широко используется в приложениях для концентрированной солнечной энергии (CSP), где использование TES позволяет проекту производить электроэнергию достаточно долго после захода солнца (см. «Проект солнечной энергии Crescent Dunes, Тонопа, Невада» в POWER’s Выпуск декабрь 2016 г.). Обычно предпочтительной средой для установок CSP с TES являются расплавленные соли, которые могут выдерживать чрезвычайно высокие температуры.

Существует множество различных систем CSP, каждая из которых предъявляет уникальные требования к хранению энергии. В то время как прямая система TES с использованием расплавленных солей является жизнеспособной для системы опорной башни, подобной той, что используется в проекте Crescent Dunes (рис. 2), для проекта параболического желоба, вероятно, потребуется несколько иная система TES. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), почти все новые действующие или строящиеся станции CSP оснащены системой TES.

2.Явное аккумулирование тепла в действии. В проекте Crescent Dunes компании SolarReserve в Неваде используется разумное хранилище тепла для хранения до 10 часов энергии. Расплавленная соль, используемая в процессе хранения, хранится в двух больших резервуарах в центре солнечного поля. Предоставлено: SolarReserve

Скрытое аккумулирование тепла. Скрытое накопление тепла не так широко используется в секторе производства энергии, но недавние разработки показали многообещающие результаты в некоторых приложениях.Скрытая аккумуляция тепла зависит от состояния среды хранения, например, от твердого до жидкого. Скрытые теплоносители часто называют материалами с фазовым переходом (PCM).

Хотя явное тепло является наименее дорогим вариантом TES, PCM предлагают преимущества, к которым стоит стремиться, если можно снизить затраты. Например, для хранения явного тепла требуются очень большие объемы носителя из-за низкой плотности энергии. PCM предлагают плотность энергии примерно в три раза больше.

Термохимический склад. Как следует из названия, термохимическое хранилище (TCS) использует химические реакции для хранения энергии. Системы TCS предлагают даже большую плотность энергии, чем PCM.

Практически все, что связано с TCS, стоит дорого. Например, IRENA указывает в технологическом обзоре, что стоимость оборудования термохимического реактора намного выше, чем стоимость материала для хранения, что не означает, что стоимость материала незначительна.

Применения в концентрированной солнечной энергии

CSP пришлось нелегко, поскольку его родственная технология, фотоэлектрическая (PV) солнечная энергия, переживала несколько хороших лет роста.По данным Ассоциации производителей солнечной энергии, рынок фотоэлектрических панелей вырос на 97% с 2015 по 2016 год, поскольку цены на фотоэлектрические панели упали почти на 20%. CSP, с другой стороны, не смог угнаться за снижением стоимости PV.

Чтобы оставаться конкурентоспособными с PV, CSP должен предложить что-то уникальное, и это было сделано в форме TES. «Для развития любой из этих технологий CSP требуется накопление тепла», — сказал POWER Ануп Матур, технический директор и основатель Terrafore Technologies.

Использование TES в CSP дает технологии возможность когда-нибудь удерживать больший процент энергобаланса, поскольку фотоэлектрическая энергия и ветер в настоящее время не подходят для использования в качестве источников генерации базовой нагрузки. С TES завод CSP может работать 24 часа в сутки, что компания SolarReserve доказала своим проектом Crescent Dunes в Неваде.

Проект Crescent Dunes — это установка мощностью 110 МВт, расположенная в трех часах езды от Лас-Вегаса. Станция может похвастаться накопителем энергии на 1100 МВтч, который может обеспечить 10 часов электроэнергии при полной нагрузке.В пиковую нагрузку электростанция обеспечивает питание 75 000 домов.

Энергетическая башня из расплавленной соли проекта расположена в центре массивного поля зеркал или гелиостатов, направляющих свет на вершину башни (рис. 3). «Зеркала нагревают накопитель энергии напрямую, делая процесс более эффективным, чем другие системы, которые« подключаются »к накопителю энергии», — сказал POWER генеральный директор SolarReserve Кевин Смит. «Я думаю, что в мире солнечной тепловой энергии принято считать, что конфигурация башни с расплавленной солью является наиболее эффективным и экономичным хранилищем тепла для крупных предприятий.«Собранное тепло используется для производства пара, который, в свою очередь, приводит в действие турбогенератор.

3. Поле зеркал . Солнечный приемник Crescent Dunes расположен в центре массивного поля гелиостатов. Расплавленная соль нагнетается в башню, где направленное тепло повышает ее температуру примерно до 1050 ° C. Предоставлено: SolarReserve

Процесс SolarReserve закачивает расплавленную соль на верхнюю часть башни, где она нагревается, в полной мере используя уникальные свойства солей.Расплавленные соли, используемые SolarReserve, остаются твердыми до тех пор, пока они не нагреются до температуры около 450F, но когда они переходят в жидкую форму, они остаются в этом состоянии при температурах до 1050F. «Холодные» соли SolarReserve сохраняются при температуре от 500 ° F до 550 ° F, что означает, что система TES компании имеет рабочий диапазон около 500 градусов.

Напротив, параболический желоб CSP выделяет тепло промежуточной жидкости, которая, в свою очередь, нагревает расплавленную соль. «Сложность этой технологии заключается в том, что [жидкость], которая используется для теплопередачи … имеет максимальную температуру, может быть, 700F или 750F.Таким образом, они работают в диапазоне от 550 ° F до 700 ° F, или 750 ° F, что составляет всего около 200 градусов дельты, в то время как мы можем перенести 500 градусов дельты в наши расплавленные соли. По сути, это означает, что мы вкладываем больше энергии в каждый фунт расплавленной соли », — сказал Смит. «Это в два или три раза больше энергии, чем хранится в солях».

Благодаря 10-часовому хранению, проект Crescent Dune может производить электричество 24 часа в сутки, хотя обычно он работает только 12–14 часов в сутки. Как правило, электростанция вырабатывает электроэнергию для NV Energy примерно от 10 а.м. до 22:00 (Рис. 4) просто потому, что для большего этого он не нужен.

4. Освещение ночи. Используя разумные аккумуляторы тепла, проект Crescent Dunes может производить энергию еще долгое время после захода солнца, помогая питать огни Лас-Вегаса . Предоставлено: SolarReserve

«На некоторых рынках, например, в Чили или на других рынках, они действительно хотят, чтобы такой проект выполнялся 24 часа в сутки.У США довольно разнообразное сочетание сил; Есть еще немало проектов по сжиганию угля и много ядерных, и эти объекты должны работать 24 часа в сутки », — отметил Смит.

Однако, поскольку структура энергопотребления страны продолжает меняться, SolarReserve прогнозирует, что Crescent Dunes могут работать в течение более длительного периода. «В долгосрочной перспективе большая часть [угля и ядерной энергии] будет выведена из эксплуатации, и, поскольку рынки США изменятся в долгосрочной перспективе, мы можем увидеть, что мы могли бы работать больше 24 часов в сутки.Но сейчас это скорее периоды пикового спроса: 8, 10, 12, 14 часов в день генерации и, как правило, ближе к вечеру », — сказал Смит.

Последствия для будущего

В то время как явная теплопередача в настоящее время доминирует в области TES, в области PCM и TCS ведется много исследований и разработок. Один из таких проектов, инкапсулированный PCM, разработанный Terrafore Technologies, получил значительную поддержку со стороны Министерства энергетики и, возможно, находится на грани коммерциализации.

Как уже отмечалось, PCM имеют преимущество перед физическими накопителями тепла из-за их повышенной плотности энергии. Матур сказал, что лучший способ воспользоваться преимуществами PCM — это их инкапсулировать. Однако сделать это — непростая задача.

«Большая проблема инкапсуляции заключается в том, как инкапсулировать твердое тело, которое расширяется почти на 20%?» он сказал. «Это означает, что у вас должна быть капсула, подумайте о шаре, частично заполненном солью, как вы это сделаете? Вы не можете открыть его, заполнить часть и запечатать, потому что запечатывание становится проблемой.”

Ответ, согласно Матуру, — полимеры. «Я думал об этом, мечтал об этом, поэтому я сказал, почему мы не можем положить какой-то полимер поверх моей капсулы, на соль? Затем положите материал оболочки, затем нагрейте его, и тогда полимер исчезнет, ​​оставив после себя пустоту », — объяснил он. «Так что это дает ему объем расширения. Это химический способ создания пустоты внутри оболочки ».

Система

Terrafore является улучшенной по сравнению с традиционной системой явного тепла, поскольку требует меньше материала для выполнения той же работы.Если для системы расплавленной соли, используемой в Crescent Dunes, требуется два больших резервуара, один для «холодной соли» и один для нагретой соли, то для системы Terrafore требуется только один резервуар и меньше материала.

Внутри резервуара складываются три разные соли. Вверху находятся соли с самой высокой точкой плавления, а внизу — соли с самой низкой точкой плавления, а в середине — слой солей со средней точкой плавления. В системе используется теплоноситель, который течет из солнечного ресивера в верхнюю часть резервуара, где затем протекает через сложенный слой капсул, нагревая их, в свою очередь, по мере того, как жидкость медленно остывает.Достигнув дна резервуара, теплоноситель перекачивается обратно в солнечный приемник.

Этот цикл продолжается до тех пор, пока не потребуется накопленная энергия, после чего жидкий теплоноситель перекачивается из резервуара в силовой блок, где генерируется пар для привода турбины.

В поисках подходящего совпадения

Матур не видит, что его процесс PCM будет принят в крупномасштабных проектах CSP, таких как Crescent Dunes, в ближайшем будущем, но он надеется, что в какой-то момент он сможет проникнуть в этот сектор.На данный момент он считает, что лучшее место для выхода его технологии на рынок — это распределенный CSP.

Матур полагает, что, работая в шведской компании, он нашел себе подходящего партнера. «Они разработали тарельчатую систему Стирлинга, которая может работать при температуре около 800–900 ° C, но работает точно так же, как фотоэлектрическая система — когда солнце светит, она вырабатывает электричество. Таким образом, они не могут быть конкурентоспособными с фотоэлектрическими батареями, потому что стоимость фотоэлектрических систем настолько низка. Теперь, если они смогут использовать хранилище, они станут конкурентоспособными с точки зрения диспетчеризации », — сказал он.

В настоящее время SolarReserve довольна разработанной технологией. В настоящее время компания разрабатывает ряд проектов по всему миру, основанных на той же технологии, что и в Crescent Dunes. «Основная технология, которой является наша технология приемника, на самом деле не требует значительных изменений, когда мы перемещаемся из одного места в другое, — пояснил Смит.

Однако это не означает, что руководство компании непредвзято. «Мы внимательно следим за другими вариантами хранения тепла и других материалов, которые мы можем использовать, — сказал Смит, — но сейчас мы действительно не видим ничего, что можно было бы сделать в ближайшем будущем на горизонте. коммерческий масштаб.”■

— Эбби Л. Харви — репортер POWER.

систем хранения солнечной тепловой энергии

систем хранения солнечной тепловой энергии

Кристофер Бэрил

28 ноября 2010 г.

Представлено как курсовая работа по физике 240, Стэнфордский университет, осень 2010 г.

Рис. 1: Принципиальная схема Solar II.

Одним из основных критических замечаний по поводу возобновляемых источников энергии является его прерывистое производство. В то время как ископаемое топливо можно сжигать в прямой ответ на спрос на электроэнергию, производство большей части возобновляемой энергии полагается на благоприятные погодные условия. По этой причине гидроэнергетика гораздо более плодородны, чем другие возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и ветер, так как плотины могут быть построены в местах, где вода течет год круглый.

Если когда-нибудь и будет мир, в котором возобновляемые источники энергии, эффективные методы хранения энергии должны быть разработан и внедрен.В этом смысле гидроэнергетика снова стала преимущество среди возобновляемых источников энергии, поскольку воду можно перекачивать в гору и выпускается обратно в периоды высокого спроса. Однако поскольку большинство основных гидроэлектростанций в мире уже используются другие возобновляемые источники энергии. [1]

Хотя много разных устройств хранения энергии, таких как как системы, использующие батареи, маховики или сжатый воздух, для использования в в сочетании с солнечной фотогальваникой и ветровой энергией, ни одна из этих систем не может хранить большое количество энергии при разумных затраты или эффективность.[2] При использовании солнечной тепловой энергии, однако энергия может эффективно храниться в расплавленных солях и по цене которые становятся все более конкурентоспособными. [3] Эта особенность солнечного тепловые электростанции могут позволить им обеспечивать стабильную мощность базовой нагрузки что покрывает значительную часть потребности в энергии.

Тепловая энергия солнца может храниться в виде скрытое тепло или явное тепло. Явное тепло связано с теплом емкость материала. Дополнительная тепловая энергия, запасенная в материале проявляется повышением температуры.Скрытое тепло — это тепло, которое переносится из-за изменения фазы материала. [4] Во время фазовый переход, температура материала не повышается; энергия передается, чтобы разрушить или сформировать межмолекулярные силы. Фаза изменения могут быть твердыми в газовые или из жидких в газовые преобразований, хотя большое изменение объема, связанное с эти изменения затрудняют использование устройств накопления энергии. управлять. Превращение твердого вещества в жидкость (плавление) или твердое вещество на продажу превращения, при которых кристаллическая структура материалов переставить, намного практичнее.[5]

Системы скрытого тепла обычно имеют большой запас энергии плотности по сравнению с устройствами хранения явного тепла. Это потому что изменение энтальпии, связанное с фазовыми изменениями, велико по сравнению с явным теплом, хранящимся в материале через типичный диапазон температур. Энтальпия, выделяемая при замерзании ацетона, для Например, 98 кДж / кг. [6] Однако удельная теплоемкость ацетона составляет 2,2 кДж / кг- ° C, что означает, что температура ацетона должна снизиться. примерно на 44 градуса, чтобы высвободить эквивалентное количество энтальпии.[6]

Высокая плотность энергии скрытого аккумулирования тепла системы делают их полезными, но они должны применяться к системам, в которых допустимо, чтобы температура источника тепла была постоянной и для затвердевания теплоаккумулирующего материала. Многие грелки занимают преимущество тепла кристаллизации, связанного с ацетатом натрия превращаясь в тригидрат ацетата натрия. [7] Дома с тепловым хранилища были построены с использованием сульфата натрия или Глаубера. соль.Декагидрат сульфата натрия выделяет кристаллизационную воду. с образованием безводного сульфата натрия при 32 ° C, идеальной температуре для низкокачественные солнечные системы отопления. [8] Небольшой дом (740 кв. Футов) в Бостон был построен более 60 лет назад, и его можно было отапливать для до десяти дней без солнца подряд. Было утилизировано 21 тонна глауберова соль, которая хранилась в шкафах и в перегородках между стенами. [9]

Основные недостатки материалов с фазовым переходом в том, что они дорогие, их способность часто накапливать тепло уменьшается после многочисленных циклов использования из-за неконгруэнтного плавления, и поскольку они затвердевают, дополнительный теплоноситель с теплом обменник должен быть использован.[5] Эти проблемы в значительной степени ограничены скрытыми устройства хранения тепла для небольших приложений или экспериментальных работ. Однако системы хранения явного тепла, в которых используются расплавленные солевые смеси, были успешно реализованы в больших масштабах для использования в солнечной тепловые электростанции.

Solar Two, солнечная тепловая электростанция, выведенная из эксплуатации завод, расположенный недалеко от Барстоу, Калифорния в пустыне Мохаве, был первым заводом иметь систему хранения расплавленной соли. [10] Это была центральная система силовой башни, в которой использовалась смесь 60% нитрата натрия и 40% азотнокислый калий.Эта смесь плавится примерно при 220 ° C и не разлагаются до температуры выше 600 ° C. [11] установка силовой башни позволяет достичь достаточно высоких температур, чтобы расплав солевой смеси используется непосредственно в качестве рабочего тела (рис. 1). В течение дня из хранилища перекачивается холодная соль с температурой около 260 ° C. танк к силовой башне. Горячая соль при температуре около 550 ° C образуется в башня и используется для производства пара в паровой турбине для производства электричество. Очень горячая соль перекачивается во вторую емкость для хранения.В ночью эта горячая соль закачивается в паровую турбину, чтобы произвести дополнительное электричество. [12]

Электростанция Andasol представляет собой солнечную тепловую электростанцию ​​мощностью 50 МВт. завод на юге Испании, который начал работу в прошлом году. Как Solar Two, в нем используется система хранения расплавленной соли с двумя резервуарами, содержащая 60% нитрата натрия. и 40% нитрата калия. [13] Однако вместо башни власти Andasol использует параболические желоба, чтобы сосредоточить солнечный свет на органической работе. жидкость. Эта жидкость представляет собой смесь дифенилового эфира и бифенила, которая плавится. при 12 ° C и максимальной рабочей температуре около 390 ° C.[11] Эффективность парового цикла Ренкина ограничена верхним рабочая температура масла. [11] Для хранения энергии рабочий жидкость нагревает расплав соли через теплообменник. Полностью нагретый бак расплавленных солей позволяет силовой установке работать на полную мощность. емкость в течение 7,5 часов после захода солнца. Всего на 3-7% меньше электроэнергии генерируется, когда тепловая энергия хранится в резервуарах с расплавленной солью и используется для производства электроэнергии позже по сравнению с тем, когда энергия используется для производства электроэнергии напрямую.Другими словами, расплавленная соль Система хранения имеет КПД 93-97%. [13, 14]

Солнечные тепловые проекты Solar Two и Andasol имеют продемонстрировали, что расплавленные соли могут обеспечивать эффективную крупномасштабную термическую хранение энергии и превращение солнечных тепловых электростанций в базовую электроэнергию источник. Несколько дополнительных солнечных тепловых станций, оснащенных солью складские помещения строятся или планируются в Испании. Однако из стоимости В перспективе невыгодно использовать солнечную тепловую энергию меньшего размера. растение с хранилищем над большим без хранилища.Расплавленная соль хранилище было популярно только в Испании, потому что страна разместила Ограничение в 50 МВт на право электростанции на привлекательную подачу электроэнергии тариф. [3] Таким образом, благодаря использованию хранилищ расплавленной соли, владельцы солнечные тепловые станции могут продавать дополнительную электроэнергию в ночное время, пока по-прежнему извлекает выгоду из благоприятной политики Испании в отношении возобновляемых источников энергии.

Поскольку солнечная тепловая энергия в настоящее время представляет собой малая доля выработки электроэнергии, коммунальные службы не заботятся, когда электричество вырабатывается.[3] Однако, если солнечная тепловая энергия растения стали представлять значительную часть электроэнергии генерации, то стоимость солнечной тепловой энергии базовой нагрузки, вероятно, будет могут стать необходимыми системы хранения расплавленных солей.

© Кристофер Бариль. Автор грантов разрешение на копирование, распространение и отображение данной работы в неизмененном виде, со ссылкой на автора, только для некоммерческих целей. Все другие права, в том числе коммерческие, принадлежат автор.

Список литературы

[1] Дж. П. Рэндольф, и др., Energy for Устойчивое развитие: технологии, планирование, политика (Island Press, 2008 г.).

[2] R. Baxter, Хранение энергии: нетехническое Справочник (PennWell, 2006).

[3] Э. Кларк, «Тепловой Хранение в США: скоро будет дано », CSP сегодня, 18 декабря 09.

[4] L. Pauling, General Chemistry (Dover, 1970).

[5] H.P. Garg, et al. Солнечная тепловая энергия Хранилище (Д.Издательство Ридель, 1985).

[6] D. R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 87 ^th edition (Taylor and Francis Group, 2007).

[7] Дж. А. Перглер, «Кристаллизация Перенасыщенный ацетат натрия и температурная зависимость Константа автоионизации воды, J. Chem. Educ. 72 , 1027 (1995).

[8] D. E. Garrett, Sulfate Sulfate: Handbook of Депозиты, обработка, свойства и использование (Academic Press, 2001).

[9] Х. Э. Хоу, «Солнечная печь на чердаке», Popular Наука, 154 , 107 (1949).

[10] Д. Миллс, «Достижения в области солнечной тепловой Электроэнергетика, Солнечная энергия, 76 , 19 (2004).

[11] R. W. Bradshaw, et al., «Расплавленный нитрат. Разработка солей для хранения тепловой энергии в параболическом желобе солнечной энергии Энергетические системы, Национальные лаборатории Сандиа, ES2008-54174 (2008).

[12] М. Валенти, «Хранение солнечной энергии в соли», Машиностроение, 117 , 72 (1995).

[13] B.