Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных способов получения тепла и холода с помощью солнечной энергии 13
1.1. Системы солнечного теплоснабжения
1.1.1. Анализ существующих схемных решений систем солнечного теплоснабжения 13
1.1.2. Условия применения систем солнечного теплоснабжения в России 17
1.2. Технологии получения холода.
1.2.1. Технология на основе парокомпрессионных холодильных машин„23
1.2.2. Радиационное охлаждение 28
1.2.3. Технология с применением струйных трансформаторов тепла 29
1.2.4. Адсорбционная закрытая технология 34
1.2.5. Химические реакторы герметичного типа 39
1.2.6. Абсорбционная закрытая технология 42
1.2.7. Системы с разомкнутым циклом. Испарительное охлаждение 45
1.3 Выводы 48
Глава 2. Выбор модели расчета солнечной радиации 53
2.1. Определение количества солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность 53
2.2. Выбор модели расчета количества солнечной радиации, падающей на наклонную поверхность ...56
Глава 3. Технико-экономические показатели систем солнечного теплоснабжения с учетом современных экономических тенденций 66
3.1. Анализ моделей расчета систем солнечного теплоснабжения 66
3.2. Анализ влияния экономических факторов и исходных параметров на основные показатели системы 83
3.3. Выводы о возможности применения систем солнечного теплоснабжения в России 94
Глава 4. Солнечный кондиционер на основе гибридного солнечного коллектора 101
4.1.Полезная мощность и КПД фотоэлемента 101
4.2 Тепловой баланс гибридного коллектора 111
4.3. Коэффициент отвода тепла гибридного коллектора 128
4.4. Показатели эффективности гибридного коллектора 132
4.5. Солнечная установка на основе гибридного коллектора 137
4.6. Эконоия приведенных затрат комбинированной установки тепло- хладоснабжения 139
Заключительные выводы по работе 146
Список литратуры, приложения 150
- Анализ существующих схемных решений систем солнечного теплоснабжения
- Выбор модели расчета количества солнечной радиации, падающей на наклонную поверхность
- Анализ влияния экономических факторов и исходных параметров на основные показатели системы
- Тепловой баланс гибридного коллектора
Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время интерес к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) повысился. Несмотря на то, что исчерпание традиционных не возобновляемых источников энергии человечеству в ближайшее время не грозит, сам факт, что они не возобновляемые не может не беспокоить. Говоря о перспективной стабильной энергетике, следует признать, что она может и должна опираться на НВИЭ, в том числе и солнечную энергию.
Идет непрерывная работа в области исследования процессов,
выявления возможностей повышения эффективности, создание новых
элементов систем солнечного теплоснабжения. Каждый раз, говоря о
возможности применения системы солнечного теплоснабжения, необходимо
определять экономическую целесообразность ее внедрения. Это связано с
тем, что для многих стран (стран Европы, США, России, Япония) основным
фактором, препятствующим активному использованию НВИЭ, является
экономический. Определение районов, в которых использование установок
солнечного теплоснабжения выгодно или будет выгодно при определенных
условиях, осложняется сильной зависимостью энергетической
эффективности таких установок от климатических параметров местности, в которой они применяются, и текущих цен на оборудование и тарифов на энергоресурсы. Работ посвященных экономическому анализу немного. Необходимы дополнительные исследования, особенно систем комбинированного солнечного теплоснабжения (одновременного отопления и горячего водоснабжения).
Применение гибридных солнечных коллекторов, позволяющих одновременно получать два вида энергии: электрическую и тепловую, способствует увеличению эффективности преобразования солнечной энергии. Будет целесообразным использование гибридных солнечных коллекторов в комбинированных установках теплохладоснабжения для одновременного получения тепла и холода. Существует ряд работ посвященных данной тематике. В тоже время требуются дополнительные исследования параметров гибридных коллекторов и созданных на их основе установок комбинированного теплохладоснабжения, в том числе и по экономической возможности применения.
Дель работы. Исследование показателей комбинированных установок теплоснабжения (получения теплоты разных потенциалов для отопления и горячего водоснабжения) и теплохладоснабжения (одновременного получения тепла и холода), предназначенных для получения тепла и холода с помощью солнечной энергии.
Научная новизна Предложены зависимости пересчета количества радиации, поглощаемой поверхностью плоского солнечного коллектора, с горизонтальной на наклонную поверхность, с учетом анизотропности диффузной составляющей общей радиации и приведенной поглощающей способности.
Скорректированная на основании работ Валова и Казанджана методика расчета систем солнечного теплоснабжения позволяет уменьшить погрешность определения максимально достижимой удельной экономии приведенных затрат комбинированной установки. Предложена зависимость для определения коэффициента дополнительных капитальных вложений, которая повышает точность определения оптимальных параметров установки комбинированного солнечного теплоснабжения (площадь солнечных коллекторов, объем бака-аккумулятора, расход теплоносителя в гелиоконтуре, площадь теплообменника гелиоконтура, максимально достижимую удельную экономию приведенных затрат), что является необходимым фактором в условиях рыночной экономики.
Составлен прогноз развития и применения комбинированных установок солнечного теплоснабжения для различных регионов России. Установлена экономическая целесообразность применения этих установок по соотношению удельная стоимость топлива/удельная стоимость коллектора для различных типов солнечных коллекторов. Определены теплотехнические и ценовые параметры, которые оказывают существенное влияние на показатели установки и те, влияние которых мало.
Предложены зависимости для определения КПД и количества полезно получаемой теплоты гибридного воздушного коллектора. Автором предложена оригинальная схема комбинированной установки с гибридным коллектором для получения тепла и холода. Установлена экономическая целесообразность применения установки по соотношению удельная стоимость топлива/удельная стоимость гибридного коллектора.
Практическая ценность. Использование установок комбинированного солнечного теплохладоснабжения является одним из способов энергосбережения и не наносит непосредственного ущерба окружающей среде. Представленная методика и полученные результаты работы могут быть использованы проектировщиками и исследователями в качестве вспомогательного материала при расчетах комбинированных систем солнечного тепло- и (или) хладоснабжения
Материалы диссертации вошли в отчет о научно-исследовательской работе «Разработка гаммы автономных источников тепла для отопления и горячего водоснабжения аудиторий и объектов образовательной среды» -Инв. №1031010,-№, 2002.
По материалам диссертации подготовлено учебное пособие «Солнечное тепло- и хладоснабжение и ветроэнергетические установки», в котором
излагаются вопросы использования солнечной радиации и энергии ветра для широкого круга потребителей. Отдельные разделы диссертации использованы в лекционном курсе «Нетрадиционные источники энергии».
Автор защищает:
-предложенную формулу пересчета общего количества солнечной радиации на наклонную поверхность с учетом анизотропного распределения ее диффузной составляющей.
-результаты анализа влияния стоимостных и теплотехнических параметров на основные показатели комбинированных установок солнечного теплоснабжения.
-результаты расчетов максимально возможной удельной экономии годовых приведенных затрат установок комбинированного солнечного теплоснабжения для различных географических регионов России, -полученные аналитические зависимости и результаты анализа гибридного коллектора и системы комбинированного теплохладоснабжения на основе парокомпрессионного кондиционера.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VII и VIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 27-28 2001 г и 28 февраля-1 марта 2002 г.), всероссийской научно-методической конференции «Научные основы федерально-региональной политики в области образования» (г. Владимир, 5-8 февраля 2002 г.), научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федеративного округа» (г. Смоленск, декабрь 2003 г.); опубликованы и представлены на первой всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2002 г.), 1-й между- народной конференции по энергосбережению (г. Алжир, 25-26 мая 2003 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации были изложены в 10 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов по работе, списка литературы из 83 наименований и приложений.
Анализ существующих схемных решений систем солнечного теплоснабжения
Основными элементами систем солнечного теплоснабжения служат: солнечный коллектор (плоский, вакуумированный, концентрирующий), аккумулятор (водяной, гравийный, на плавящихся веществах), регулирующие устройства, насосы, дублирующий источник теплоты. В качестве дублирующего источника теплоты может быть использован котел на органическом топливе или электроэнергии, тепловой насос или котел на биомассе (твердые брикеты, биогаз).
В системах солнечного теплоснабжения могут применяться различные типы коллекторов — плоский, вакуумный или фокусирующий. Последние позволяют обеспечить нагрев теплоносителя до высоких температур, порядка 400-600 С. Основной их недостаток в том, что они собирают лишь прямую составляющую солнечной радиации. Кроме того, стоимость фокусирующих коллекторов велика, что не всегда позволяет использовать их в системах теплоснабжения, поэтому наибольшее распространение получили вакуумные (возможная температура порядка 120—160 С) и плоские коллекторы (возможная температура порядка 90—100 С) [5].
Все установки солнечного теплоснабжения можно разделить по теплоносителю гелиоконтура на две большие группы: жидкостные и воздушные. В первых, в качестве рабочего тела используется, как правило, вода; во-вторых—воздух. Оба теплоносителя имеют ряд преимуществ и недостатков. В воздушных системах отсутствует проблема замерзания и (или) перегрева теплоносителя. Коррозия в таких системах также незначительна. К недостаткам относят высокие расходы энергии на прокачку теплоносителя, большие размеры аккумулятора и теплообменника. У водяных систем: маленький аккумулятор, меньшие площади теплопередающих поверхностей, но необходимо предусматривать меры против замерзания и закипания воды в коллекторах. Большинство проектируемых систем составляют жидкостные. Это связано с тем, что в системах ГВС и комбинированных системах (ГВС и отопления) стоимость теплообменника воздух-вода выше, чем вода-вода. Область применения систем с воздушным теплоносителем—это системы отопления для районов с отрицательной температурой наружного воздуха, где по техническим или экономическим критериям нельзя применять системы с незамерзающими жидкостями.
По характеру работы все системы теплоснабжения можно разделить на сезонные и круглогодичные. По параметру использования солнечного тепла все системы можно разделить на системы с межсезонным аккумулированием, когда тепло собирается и запасается в аккумуляторах летом, а используется зимой, и системы непосредственного использования, когда тепло собирается и используется параллельно. У первых систем коэффициент замещения близок или равен единице, и они не нуждаются в дублирующем источнике теплоты, но имеют большой бак-аккумулятор (соответственно и капитальные вложения в него). Вторые нуждаются в дополнительном источнике, но, как правило, затраты на установку меньше. Практика показывает, что для районов с климатом Германии, Дании или Швеции, себестоимость теплоты только в очень крупных системах с межсезонным аккумулированием меньше, чем у децентрализованных систем непосредственного использования. Кроме того, для уже существующих зданий порой невозможно найти место под огромный бак-аккумулятор. Поэтому только в некоторых случаях для существующих зданий может быть использована система с межсезонным аккумулированием.
Принципиальные схемы установок непосредственного использования (в дальнейшем, гелиоустановки) представлены на рис. 1.1. и 1.2. Их можно разделить на две группы: установки, работающие по прямоточной схеме (рис. 1.1.); установки работающие по замкнутой схеме (рис. 1.2.).
В установках первой группы теплоноситель подается в солнечный коллектор (рис. 1.1 а и б) или в теплообменник гелиоконтура (рис. 1.1.в), где он нагревается и поступает непосредственно к потребителю, либо в бак-аккумулятор. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то он подогревается в дублирующем источнике теплоты. Рассмотренные выше схемы находят применение, в основном, в промышленных объектах или в сезонных системах ГВС.
В схемах второй группы передача теплоты от солнечного коллектора осуществляется через бак-аккумулятор, либо путем непосредственного смешения (рис. 1.2.а), либо через теплообменник, который может находится внутри (рис. 1.2.6) или вне бака (рис. 1.2.в). К потребителю теплоноситель поступает через бак и в случае необходимости догревается дублирующим источником. Установки, работающие по этим схемам, могут быть одноконтурными (рис. 1.2.а), двухконтурными (рис. 1.2.6) или многоконтурными (рис. 1.2.B и г).
Установки обеспечивающие одновременно горячее водоснабжение и отопление могут быть с одним аккумулятором и интегрированным теплообменником (рис. 1.2.г); с двумя баками-аккумуляторами (один для ГВС, другой для отопления (рис. 1.2.д)); с одним аккумулятором и внешним теплообменником (рис. 1.2.е); с аккумулятором класса «бак в баке» (рис. 1.2.ж); со слоевым аккумулятором тепла (рис. 1.2.з). Институтом термодинамики Штуттгартского университета выполнены расчеты пяти указанных установок, когда в качестве теплоносителя гелиоконтура была взята жидкость. В качестве критерия сравнения была принята экономия первичной энергии. Все сравниваемые варианты по этому критерию оказались близкими: экономия энергии составляет 21.6,..., 24.9%[6]. Рассмотренные на рис. 1.2. схемы нашли в настоящие время наибольшее применение, так как отличаются сравнительной простотой и надежностью в эксплуатации.
Выбор модели расчета количества солнечной радиации, падающей на наклонную поверхность
Радиация, падающая на наклонную площадку представляет сумму прямой, диффузной и отраженной от земли солнечной радиации. Каждая составляющая — есть некая функция от угла наклона поглощающей поверхности. Арифметически, это выражается поправочным множителем перед каждой составляющей радиации, определенной для горизонтальной площадки.
Поправочный множитель Яь с высокой точностью учитывает распределение прямой солнечной радиации на наклонной поверхности. Он равен отношению косинусов угла падения на наклонную и горизонтальную поверхности, т.е. зависит от положения солнца на небесной сфере и угла наклона площадки. Погрешность расчета Яь в основном определяется погрешностью формул нахождения его составляющих: часового угла захода солнца и солнечного склонения.
В общем случае солнечные установки работают в периоды максимума солнечной радиации. В этих условиях большая доля энергии приходится на прямую составляющую, которая в формуле Люи и Джордана определяется с малой погрешностью. Это обусловило распространение данной модели среди других простых. Однако есть регионы и периоды года, когда преобладающей величиной будет диффузная составляющая. Для ее расчета авторами была предложена в формуле (2.5) изотропная модель распределения по небесной сфере. В этом случае поправочный множитель есть функция площади небесной сферы, которую видит приемник (т.е. угла наклона поглощающей поверхности).
Такое упрощение даст существенную ошибку при вычислении диффузной составляющей. Другие авторы предлагают иные модели ее расчета. В работе [55] был осуществлен анализ 10 моделей для расчета диффузной составляющей на наклонную поверхность: Баглера (1977), Люи и Джордана (1963), Ключера (1979), Гвеймарда (1984), Хея и Маккея (1988), Мунира (1990), Переза (1990), Рендала (1990), Вилмонта (1982), Темпса и Коулсона(1977).
Проверка проводилась в одной из лабораторий Испании. Полученные расчетным путем значения диффузной составляющей сравнивались с экспериментальными показаниями, регистрируемыми приборами. Тестирование моделей проводилось с августа 1998 по декабрь 1999 г.
Критериями отбора служили среднеквадратичная (RMSE) и среднеарифметическая (МВЕ) погрешности. Результаты представлены в табл. №2.1. Из сравнения видно, что наименьшие погрешности дают модели Переза и Рендала. Перспективность применения модели Переза также подтвердили новозеландские ученые [56].
Оба авторских коллектива (Переза и Рендала) используют анизотропные модели диффузной радиации. Эти модели учитывают повышение радиации вблизи горизонта и солнечного круга. В итоге, небесная сфера делится на три части: околосолнечная круговая зона, область вблизи горизонта и остальная изотропная зона. Д, Hd — небесная яркость и искомое значение диффузной радиации на наклонную поверхность. Рендал воспользовался подходом «улучшения» предыдущих моделей и создал более удобную для ручного счета формулу.
Величина отраженной от земли солнечной радиации сильно зависит от альбедо поверхности. Для летних месяцев ее рекомендуют принимать р=0.2 [5]. Она не превышает 5-10% от суммарной величены радиации падающей на наклонную поверхность. Зимой же, когда землю может покрывать снег, ее вклад существенен (р=0.7). Точность ее расчета определяется рельефом местности, параметрами застройки и т.д.
Значение приведенной поглощающей способности зависит от угла падения излучения, который отличается для различных составляющих солнечной радиации. Для диффузной и отраженной, по модели Люи и Джордона, этот угол равнялся 60. Бекманом и Даффи [57] установлено, что влияние приведенной поглощающей способности на величину солнечной радиации определяемой по модели Люи и Джордана, которая передается черной пластине коллектора, при разности ф-В (географическая широта местности минус угол наклона коллектора) до 15 не существенно, и слабо зависит от месяца года. Поэтому в расчетах установок солнечного тепло- и хладоснабжения может быть принято значение приведенной поглощающей способности при угле падения излучения для прямой составляющей солнечной радиации и летнего месяца с максимальным значением солнечной радиации [57]. Такое допущение дает ошибку в расчетах основных показателей установок солнечного тепло- и хладоснабжения менее 5%. Формулы по определению количества солнечного излучения поглощенного поверхностью коллектора представлены ниже.
С изменением общей модели расчета солнечной радиации на наклонную поверхность возникла необходимость: во-первых, изучить погрешность между первой (Люи и Джордан) и новой (2.9) формул; во-вторых, рассмотреть влияние приведенной поглощающей способности и определить предел ф-р (ранее равный 15) для критерия упрощенного расчета по формуле (2.11).
Автором было выбрано 5 географических точек (Москва, Киев, Кишинев, Тбилиси, Махачкала) с различной долей диффузной радиации. Автором проведен расчет радиации для различных углов наклона коллектора [58]. Результатом стали графики, часть которых представлена на рис. 2.1-2.4. По результатам проведенного исследования сделаны следующие выводы:
1. Из анализа полученных данных (см. рис. 2.1) видно, что погрешность между предлагаемой и прежней формулой (между формулами (2.5) и (2.9)) увеличивается с увеличением угла падения солнечных лучей.
2. Погрешность в летний период в несколько раз меньше, чем в зимний (для Кишинева отношение составляет 4-8, для Махачкалы—2.5-4, Киева—2.0-6 раз (см. рис 2.1)). Это отношение увеличивается с уменьшением угла падения солнечных лучей и при увеличении значения доли диффузной радиации.
3. Строгой зависимости погрешности от доли диффузной радиации нет. При одних и тех же значениях ее величина отличается, если сравнивать различные географические районы (см. табл. № 2.2). Причина—влияние не только доли диффузной радиации, но и других величин: значений диффузной и прямой радиации, месяца года и т.д.
Анализ влияния экономических факторов и исходных параметров на основные показатели системы
Переходя к технико-экономическому анализу нужно отметить, что конкретные цифры зависят от схемы установки солнечного теплоснабжения. Рассматривая наиболее сложный случай, когда для объекта требуется отопление и горячее водоснабжения (комбинированное теплоснабжение), выберем замкнутую схему с интегрированным баком-аккумулятором и теплообменником гелиоконтура 1-коллектор, 2-интегрированный бак-аккумулятор (с встроенными теплообменниками ГВС и отопления), 3-теплообменник гелиоконтура, 4-насос гелиоконтура, 5-насос второго контура, 6-насос системы отопления. Рис. 3.5. Схема установки солнечного теплоснабжения Солнечный коллектор преобразует энергию солнечного излучения в теплоту, которая передается в бак-аккумулятор через теплообменник гелиоконтура. Теплоносителем в гелиоконтуре служит незамерзающая жидкость—раствор этиленгликоля (46,4%) с средней теплоемкостью 3,38 кДж/(кг К). Аккумулирующим веществом является вода, которая передает свое тепло через теплообменную поверхность непосредственным теплоносителям контуров системы ГВС и отопления.
Так, как подобрать универсальной объект при расчете систем солнечного теплоснабжения из-за влияния тепловых характеристик и компоновки здания невозможно, в качестве типового было выбрано двухэтажное здание школы, ориентированное по длине с северо-запада на юго-восток. Длинна здания при ширине 15 м равна 30 м. Высота 8 м. Площадь окон 96 м2. Стены выполнены из керамзитобетона, толщиной 300 мм, и оштукатурены. Чердачное перекрытие—из железобетона, толщинной 200 мм. В здании поддерживается температура 21 С и относительная влажность 60%. Количество людей пользующихся горячим водоснабжением принято равным 100 человек.
В качестве параметров солнечного коллектора взяты параметры серийно-вьшускаемого коллектора «Радуга-М» (фирмы НПО «Конкурент»): полный коэффициент потерь—4,3 Вт/(м2 К), коэффициент отвода теплоты— 0,93, полная приведенная поглощающая способность—0,78. Заявленный срок службы коллектора составляет 20 лет. Стоимость российских коллекторов с такими показателями лежит в пределах 150-300$/м2. Стоимость подобных зарубежных аналогов как правило в 1,5-2 раза выше. Коллекторы российского производства с меньшим сроком службы и более низкими показателями можно приобрести за 30-100$/м2 (НПО «Ветроток», Ковровский механический завод). Их параметры следующие: полный коэффициент потерь—6,0-8,0 Вт/(м2 К), коэффициент отвода теплоты—0,88-0,91, полная приведенная поглощающая способность—0,78. Заявленный срок службы коллектора составляет 10 лет [67, 68],
Рассмотрим влияние стоимостных и технологических показателей на оптимальные показатели установки солнечного теплоснабжения: годовой экономический эффект, коэффициент замещения, объем бака-аккумулятора, площадь коллекторов, площадь теплообменника гелиоконтура.. Влияние стоимости коллектора.
Удельная стоимость коллектора наиболее важный параметр, от которого зависит вероятность применения установки солнечного теплоснабжения. Особенно важным является его соотношение со стоимостью топлива, под которой подразумеваются замыкающие затраты у потребителя (включая внутрирайонное распределение). Как показывают расчеты, установки солнечного теплоснабжения становятся конкурентоспособными при соотношении удельная стоимость коллектора/стоимость топлива равному приблизительно 1.
В настоящий момент в России стоимость топлива в удаленных районах с достаточным количеством солнечной радиации не превышает 30-40 $ за т.у.т., что связано с низкими ценами на энергоносители внутри страны 10-18$/т.у.т.
В приложениях 1 и 2 представлены результаты исследования показателей комбинированной системы от стоимости топлива и стоимости коллектора для его характеристик при 20 сроке службы (коллектор типа Радуга-М).
Это связано с тем, что с увеличением удельной стоимости величина оптимальной площади теплообменника уменьшается (рис. 3.8), а возрастание коэффициента дополнительных капитальных вложений компенсирует это снижение.
На рис. 3.9 показаны зависимости оптимального годового экономического эффекта от удельной стоимости теплообменника гелиоконтура при разной стоимости топлива для коллектора с 20-ем сроком эксплуатации и стоимости 100$/м2.
Тепловой баланс гибридного коллектора
Солнечный коллектор является основным элементом установки, в котором энергия излучения Солнца преобразуется в другую форму полезной энергии. Без концентрации солнечных лучей плотность потока падающего излучения составляет в лучшем случае 1100-1300 Вт/м и является переменной величиной. В плоских коллекторах поверхность, воспринимающая солнечное излучение, является одномерной поверхностью. К их преимуществам относят: возможность использования как прямой, так и рассеянной радиации; простоту конструкции; отсутствие необходимости в повседневном обслуживании и низкую по сравнению с остальными типами солнечных коллекторов стоимость. Плоские коллекторы могут применяться: для нагрева теплоносителя до температур, как правило, не превышающих 100С,
Гибридный солнечный плоский коллектор в части функций получения тепловой энергии очень близок к обычному плоскому солнечному коллектору с той лишь разницей, что позволяет вырабатывать электрическую энергию. Это достигается за счет встроенных в коллектор фотоэлементов. Обычно они размещаются на верхней поглощающей поверхности, или в области подачи нагреваемого теплоносителя, или равномерно по его поверхности. В первом случае, при условии конструктивного отделения фотоэлектрической и тепловой частей коллектора (теплоизоляции друг от друга), можно добиться увеличения количества вырабатываемой электроэнергии, но при этом уменьшается эффективность по теплу. К тому же из-за усложнения конструкции стоимость коллектора будет выше, чем в случае с равномерным распределением фотоэлементов.
Конструкции с равномерным распределением фотоэлементов [15]: а)—с теплоносителем в трубах; б) и в)— с теплоносителем в каналах. Конструкции с сосредоточенным расположением фотоэлементов [41]: г)—без теплоизоляционной вставки и оребрением поглощающей пластины; д) —с теплоизоляционной вставкой и теплоносителем в трубах; е)—с теплоизоляцией и теплоносителем в каналах; ж)—без теплоизоляционной вставки и подачей теплоносителя сверху (теплоноситель в каналах), з)— без теплоизоляционной вставки и подачей теплоносителя снизу(тешюноситель в каналах), к)— без теплоизоляционной вставки и подачей теплоносителя с двух сторон (теплоноситель в каналах). Рис. 4.5. Варианты конструкции гибридного солнечного коллектора
В работе [41] анализируется эффективность четырех типов плоского воздушного коллектора с сосредоточенным расположением фотоэлементов без теплоизоляционной вставки и двойным остекленным покрытием (рис. 4.5. г), ж), з), к) ). Наиболее эффективными по электрическому КПД и температуре получаемого воздуха оказались компоновки г) и з).
Необходимо отметить, что одной из целей проектирования солнечной энергетической установки является обеспечение минимальной стоимости получаемой энергии или максимального годового экономического эффекта от её внедрения. Может оказаться, что выгоднее проектировать коллектор не с технологически возможным, а с меньшим КПД, если при этом его стоимость существенно снижается.
В качестве критериев эффективности гибридного солнечного коллектора используют три величины: коэффициент полезного действия по теплу (коэффициент трансформации тепла); коэффициент полезного действия по электрической энергии; энергетический КПД [ 14, 15]. Из них лишь последний, может служить однозначным показателем, определяющим степень совершенства установки.
Указанные коэффициенты определяются как отношение количества полезного тепла (эксергии или выработанной электроэнергии) за некоторый период времени к количеству энергии солнечного излучения, падающего на коллектор в течение того же периода времени. Эти коэффициенты также можно найти: через осредненные за период работы значения количеств полезного тепла (эксергии или выработанной электроэнергии) к осредненному за период работы количеству энергии солнечного излучения.
Детальное исследование гибридного солнечного коллектора представляет собой сложную задачу. Для иллюстрации основных принципов работы гибридного солнечного коллектора будет рассмотрена простая конструкция ( рис. 4.6). Анализ базируется на основе работ Даффи и Бекмена [5, 57], Хоттеля и Уиллера [78, 79], Фалкенберга [15].
Солнечное излучение с небольшими потерями на отражение и поглощение, из-за системы остекленных покрытий, поступает на панель гибридного коллектора. Часть поступившей энергии излучения преобразуется в электрическую энергию в фотоэлементах гибридного коллектора, нагревая их. Другая часть, с небольшими потерями на отражение, поглощается тепловой поверхностью гибридного солнечного коллектора. Подаваемый теплоноситель, отбирая теплоту от тепловой поверхности и фотоэлементов, повышает свою температуру. От системы панель—теплоноситель существует непрерывный тепловой поток в окружающую среду, который определяет потери коллектора.
