Việc sử dụng hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời càng tốt. Hệ thống sưởi ấm năng lượng mặt trời hiện đại

Sinh thái tiêu dùng Bất động sản: Phần lớn thời gian trong năm chúng ta buộc phải chi tiền để sưởi ấm ngôi nhà của mình. Trong tình huống như vậy, bất kỳ trợ giúp nào cũng sẽ hữu ích. Năng lượng mặt trời hoàn hảo cho những mục đích sau: hoàn toàn thân thiện với môi trường và miễn phí.

Hầu hết thời gian trong năm, chúng ta buộc phải chi tiền để sưởi ấm ngôi nhà của mình. Trong tình huống như vậy, bất kỳ trợ giúp nào cũng sẽ hữu ích. Năng lượng mặt trời hoàn hảo cho những mục đích sau: hoàn toàn thân thiện với môi trường và miễn phí. Các công nghệ hiện đại cho phép thực hiện sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời cho một ngôi nhà riêng không chỉ ở khu vực phía Nam, mà còn ở khu vực giữa.

Những công nghệ hiện đại có thể cung cấp

Trung bình, 1 m2 bề mặt trái đất nhận được 161 W năng lượng mặt trời mỗi giờ. Tất nhiên, ở xích đạo con số này sẽ cao hơn nhiều lần so với ở Bắc Cực. Ngoài ra, mật độ bức xạ mặt trời còn phụ thuộc vào thời gian trong năm. Ở khu vực Moscow, cường độ bức xạ mặt trời vào tháng 12-tháng 1 khác với tháng 5-tháng 7 hơn năm lần. Tuy nhiên, các hệ thống hiện đại hiệu quả đến mức chúng có thể hoạt động ở hầu hết mọi nơi trên trái đất.

Bài toán sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời với hiệu quả tối đa được giải quyết theo hai cách: đốt nóng trực tiếp trong bộ thu nhiệt và pin quang điện mặt trời.

Các tấm pin mặt trời trước tiên chuyển đổi năng lượng của tia nắng thành điện năng, sau đó truyền nó qua một hệ thống đặc biệt đến người tiêu dùng, ví dụ như nồi hơi điện.

Bộ thu nhiệt, khi được làm nóng bởi tia nắng mặt trời, sẽ làm nóng chất làm mát của hệ thống sưởi và cấp nước nóng.

Bộ thu nhiệt có nhiều loại, bao gồm hệ thống mở và đóng, thiết kế phẳng và hình cầu, bộ thu nhiệt hình bán cầu và nhiều tùy chọn khác.

Năng lượng nhiệt thu được từ bộ thu năng lượng mặt trời được sử dụng để làm nóng nước nóng hoặc chất lỏng sưởi ấm.

Mặc dù đã có tiến bộ rõ rệt trong việc phát triển các giải pháp thu hoạch, lưu trữ và sử dụng năng lượng mặt trời nhưng vẫn có những ưu điểm và nhược điểm.

Hiệu suất sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời ở vĩ độ của chúng ta khá thấp, điều này được giải thích là do số ngày nắng không đủ để hệ thống hoạt động thường xuyên.

Ưu và nhược điểm của việc sử dụng năng lượng mặt trời

Ưu điểm rõ ràng nhất của việc sử dụng năng lượng mặt trời là tính sẵn có phổ biến của nó. Trên thực tế, ngay cả trong thời tiết u ám và nhiều mây nhất, năng lượng mặt trời vẫn có thể được thu thập và sử dụng.

Ưu điểm thứ hai là lượng khí thải bằng không. Trên thực tế, nó thân thiện với môi trường nhất và cái nhìn tự nhiên năng lượng. Các tấm pin mặt trời và bộ thu không tạo ra tiếng ồn. Trong hầu hết các trường hợp, chúng được lắp đặt trên mái của các tòa nhà mà không chiếm diện tích. diện tích sử dụng được khu vực ngoại thành.

Những bất lợi liên quan đến việc sử dụng năng lượng mặt trời là sự thay đổi của ánh sáng. TRONG thời gian đen tối ngày không có gì để thu thập, tình hình càng trở nên trầm trọng hơn khi đỉnh điểm mùa sưởi ấm rơi vào những giờ ban ngày ngắn nhất trong năm.

Một nhược điểm đáng kể của hệ thống sưởi dựa trên việc sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời là thiếu khả năng tích lũy năng lượng nhiệt. Chỉ có bể mở rộng được bao gồm trong mạch

Cần phải theo dõi độ sạch quang học của các tấm, ô nhiễm nhẹ làm giảm mạnh hiệu quả.

Ngoài ra, không thể nói việc vận hành hệ thống năng lượng mặt trời là hoàn toàn miễn phí, liên tục phát sinh các chi phí khấu hao thiết bị, vận hành bơm tuần hoàn và thiết bị điện tử điều khiển.

Mở bộ thu năng lượng mặt trời

Bộ thu năng lượng mặt trời mở là một hệ thống các ống, không được bảo vệ khỏi các tác động bên ngoài, qua đó chất làm mát được làm nóng trực tiếp bởi mặt trời sẽ lưu thông. Nước, khí, không khí và chất chống đông được sử dụng làm chất làm mát. Các ống được cố định vào bảng đỡ dưới dạng cuộn dây hoặc nối thành hàng song song với ống thoát.

Các bộ thu năng lượng mặt trời mở không thể đối phó với việc sưởi ấm một ngôi nhà riêng. Do không có lớp cách nhiệt nên chất làm mát nguội đi nhanh chóng. Chúng được sử dụng vào mùa hè chủ yếu để làm nóng nước trong vòi sen hoặc bể bơi.

Bộ thu mở thường không có lớp cách nhiệt. Thiết kế rất đơn giản, do đó nó có chi phí thấp và thường được thực hiện độc lập.

Do thiếu lớp cách nhiệt, chúng thực tế không lưu trữ năng lượng nhận được từ mặt trời và có đặc điểm là hiệu quả thấp. Chúng được sử dụng chủ yếu vào mùa hè để làm nóng nước trong bể bơi hoặc vòi sen mùa hè. Được lắp đặt ở những vùng có nắng và ấm áp, có sự chênh lệch nhỏ về nhiệt độ của không khí xung quanh và nước nóng. Chúng chỉ hoạt động tốt khi thời tiết nắng, không có gió.

Bộ thu năng lượng mặt trời đơn giản nhất với bộ tản nhiệt được làm từ một cuộn ống polymer sẽ cung cấp nước nóng cho ngôi nhà để tưới tiêu và nhu cầu sinh hoạt

Bộ thu năng lượng mặt trời hình ống

Bộ thu năng lượng mặt trời dạng ống được lắp ráp từ các ống riêng lẻ để nước, khí hoặc hơi nước chảy qua. Đây là một trong những loại hệ mặt trời mở. Tuy nhiên, chất làm mát đã được bảo vệ tốt hơn nhiều khỏi tác động tiêu cực bên ngoài. Đặc biệt là trong lắp đặt chân không, được thiết kế theo nguyên lý phích nước.

Mỗi ống được kết nối với hệ thống riêng biệt, song song với nhau. Nếu một ống bị hỏng, có thể dễ dàng thay thế nó bằng một ống mới. Toàn bộ cấu trúc có thể được lắp ráp trực tiếp trên mái của tòa nhà, giúp đơn giản hóa rất nhiều việc lắp đặt.

Bộ thu hình ống có cấu trúc mô-đun. Thành phần chính là ống chân không, số lượng ống thay đổi từ 18 đến 30, cho phép bạn chọn chính xác công suất của hệ thống

Một lợi thế đáng kể của bộ thu năng lượng mặt trời hình ống là hình dạng hình trụ của các bộ phận chính, nhờ đó bức xạ mặt trời được thu giữ cả ngày mà không cần sử dụng các hệ thống đắt tiền để theo dõi chuyển động của đèn chiếu sáng.

Một lớp phủ nhiều lớp đặc biệt tạo ra một loại bẫy quang học cho ánh sáng mặt trời. Sơ đồ thể hiện một phần thành ngoài của bình chân không phản xạ các tia sáng lên thành bình trong

Dựa trên thiết kế của các ống, bộ thu năng lượng mặt trời lông vũ và đồng trục được phân biệt.

Ống đồng trục là bình Diaur hoặc bình thủy điện quen thuộc. Được làm từ hai bình trong đó không khí được sơ tán. Một lớp phủ có tính chọn lọc cao được phủ lên bề mặt bên trong của bóng đèn bên trong, giúp hấp thụ năng lượng mặt trời một cách hiệu quả.

Năng lượng nhiệt từ lớp chọn lọc bên trong được truyền tới ống dẫn nhiệt hoặc bộ trao đổi nhiệt bên trong làm bằng các tấm nhôm. Ở giai đoạn này xảy ra hiện tượng mất nhiệt không mong muốn.

Ống lông vũ là một ống trụ thủy tinh có gắn bộ phận hấp thụ lông vũ bên trong.

Để cách nhiệt tốt, không khí đã được hút ra khỏi ống. Nhiệt truyền từ thiết bị hấp thụ không bị thất thoát nên hiệu suất của ống lông vũ cao hơn.

Theo phương pháp truyền nhiệt, có hai hệ thống: dòng trực tiếp và ống dẫn nhiệt.

Ống dẫn nhiệt là một vật chứa kín chứa chất lỏng dễ bay hơi.

Bên trong ống dẫn nhiệt có chất lỏng dễ bay hơi nhận nhiệt từ thành trong của bình hoặc từ bộ hút lông vũ. Dưới tác dụng của nhiệt độ, chất lỏng sôi lên và bốc lên ở dạng hơi nước. Sau khi nhiệt được truyền đến bộ làm mát hệ thống sưởi hoặc cung cấp nước nóng, hơi nước ngưng tụ thành chất lỏng và chảy xuống.

Nước thường được sử dụng như một chất lỏng dễ bay hơi ở áp suất thấp.

Hệ thống một lần sử dụng ống hình chữ U để nước hoặc chất lỏng gia nhiệt lưu thông qua đó.

Một nửa ống hình chữ U dành cho chất làm mát lạnh, nửa ống thứ hai loại bỏ chất làm mát đã được làm nóng. Khi được làm nóng, chất làm mát nở ra và đi vào bể chứa, tạo ra sự lưu thông tự nhiên. Đối với hệ thống ống dẫn nhiệt, góc nghiêng tối thiểu phải ít nhất là 20⁰.

Hệ thống dòng chảy trực tiếp hiệu quả hơn vì chúng làm nóng chất làm mát ngay lập tức.

Nếu hệ thống thu năng lượng mặt trời được lên kế hoạch sử dụng quanh năm thì chất chống đông đặc biệt sẽ được bơm vào chúng.

Ưu và nhược điểm của ống thu gom

Việc sử dụng các bộ thu năng lượng mặt trời dạng ống có một số ưu điểm và nhược điểm. Thiết kế của bộ thu năng lượng mặt trời hình ống bao gồm các bộ phận giống hệt nhau và tương đối dễ thay thế.

Thuận lợi:

• mất nhiệt thấp;
• khả năng làm việc ở nhiệt độ xuống tới -30⁰С;
• hiệu quả hoạt động suốt cả ngày;
• hoạt động tốt ở những vùng có khí hậu ôn đới và lạnh;
• lượng gió thấp, được chứng minh bằng khả năng của hệ thống hình ống truyền khối không khí qua chúng;
• khả năng sản xuất chất làm mát nhiệt độ cao.

Về mặt cấu trúc, cấu trúc hình ống có bề mặt khẩu độ hạn chế. Nó có những nhược điểm sau:

• không có khả năng tự làm sạch tuyết, băng, sương giá;
• giá cao.

Mặc dù chi phí ban đầu cao, nhưng những người thu gom hình ống lại tự chi trả nhanh hơn. Họ có một cuộc sống phục vụ lâu dài.

Bộ thu năng lượng mặt trời đóng phẳng

Bộ thu tấm phẳng bao gồm khung nhôm, lớp hấp thụ đặc biệt - chất hấp thụ, lớp phủ trong suốt, đường ống và lớp cách nhiệt.

Đồng tấm đen được sử dụng làm chất hấp thụ, có tính dẫn nhiệt lý tưởng để tạo ra các hệ mặt trời. Khi năng lượng mặt trời được hấp thụ bởi thiết bị hấp thụ, năng lượng mặt trời mà nó nhận được sẽ được chuyển sang chất làm mát tuần hoàn qua hệ thống ống liền kề với thiết bị hấp thụ.

Ở bên ngoài, bảng kín được bảo vệ bởi một lớp phủ trong suốt. Nó được làm từ chống sốc kính cường lực, có băng thông 0,4-1,8 µm. Phạm vi này chiếm bức xạ mặt trời tối đa. Kính chống sốc giúp bảo vệ tốt khỏi mưa đá. Ở mặt sau toàn bộ bảng điều khiển được cách nhiệt một cách đáng tin cậy.

Bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng được đặc trưng bởi hiệu suất tối đa và thiết kế đơn giản. Hiệu quả của chúng được tăng lên do sử dụng chất hấp thụ. Họ có thể thu được bức xạ mặt trời khuếch tán và trực tiếp

Danh sách các lợi thế của việc đóng cửa tấm phẳngđược liệt kê:

• sự đơn giản của thiết kế;
• hiệu suất tốt ở những vùng có khí hậu ấm áp;
• khả năng cài đặt ở mọi góc độ với các thiết bị thay đổi góc nghiêng;
• khả năng tự làm sạch tuyết và sương giá;
• giá thấp.

Bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng đặc biệt thuận lợi nếu việc sử dụng chúng được lên kế hoạch ở giai đoạn thiết kế. Tuổi thọ của sản phẩm chất lượng là 50 năm.

Những nhược điểm bao gồm:

• mất nhiệt cao;
• trọng lượng nặng;
• gió lớn khi các tấm được đặt ở một góc so với phương ngang;
• hạn chế về hiệu suất khi nhiệt độ thay đổi vượt quá 40°C.

Phạm vi ứng dụng của bộ thu kín rộng hơn nhiều so với hệ mặt trời kiểu mở. Vào mùa hè, họ có thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu về nước nóng. Vào những ngày mát mẻ, khi các tiện ích không bao gồm chúng trong thời gian sưởi ấm, chúng có thể hoạt động thay thế cho máy sưởi gas và điện.

So sánh các đặc tính của bộ thu năng lượng mặt trời

Chỉ số quan trọng nhất của bộ thu năng lượng mặt trời là hiệu quả. Hiệu suất hữu ích của các bộ thu năng lượng mặt trời có thiết kế khác nhau phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ. Đồng thời, bộ thu phẳng rẻ hơn nhiều so với bộ thu hình ống.

Giá trị hiệu quả phụ thuộc vào chất lượng sản xuất của bộ thu năng lượng mặt trời. Mục đích của biểu đồ là thể hiện hiệu quả của việc sử dụng các hệ thống khác nhau tùy thuộc vào chênh lệch nhiệt độ

Khi chọn bộ thu năng lượng mặt trời, bạn nên chú ý đến một số thông số thể hiện hiệu suất và công suất của thiết bị.

Có một số đặc điểm quan trọng đối với bộ thu năng lượng mặt trời:

• hệ số hấp phụ - hiển thị tỷ lệ năng lượng hấp thụ trên tổng năng lượng;
• hệ số phát thải - hiển thị tỷ lệ năng lượng truyền đi và năng lượng hấp thụ;
• tổng diện tích và khẩu độ;
• Hiệu quả

Khu vực khẩu độ là khu vực làm việc của bộ thu năng lượng mặt trời. Bộ thu tấm phẳng có diện tích khẩu độ tối đa. Diện tích khẩu độ bằng diện tích hấp thụ.

Phương pháp kết nối với hệ thống sưởi ấm

Vì các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời không thể cung cấp nguồn năng lượng ổn định suốt ngày đêm nên cần có một hệ thống có khả năng phục hồi những thiếu sót này.

Đối với miền trung nước Nga, các thiết bị năng lượng mặt trời không thể đảm bảo dòng năng lượng ổn định nên chúng được sử dụng như một hệ thống bổ sung. Hội nhập vào hệ thống hiện có cung cấp nước nóng và sưởi ấm là khác nhau đối với bộ thu năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời.

Sơ đồ kết nối bộ thu nhiệt

Tùy theo mục đích sử dụng bộ thu nhiệt mà sử dụng các hệ thống kết nối khác nhau. Có thể có một số lựa chọn:

1. Tùy chọn mùa hè để cung cấp nước nóng
2. Tùy chọn mùa đông để sưởi ấm và cung cấp nước nóng

Tùy chọn mùa hè là đơn giản nhất và thậm chí có thể được thực hiện mà không cần bơm tuần hoàn, sử dụng vòng tuần hoàn tự nhiên của nước.

Nước được làm nóng trong bộ thu năng lượng mặt trời và do sự giãn nở nhiệt sẽ đi vào bể chứa hoặc nồi hơi. Trong trường hợp này, sự tuần hoàn tự nhiên xảy ra: nước lạnh được hút ra khỏi bể thay vì nước nóng.

Vào mùa đông khi nhiệt độ âmà, không thể làm nóng nước trực tiếp được. Chất chống đông đặc biệt lưu thông theo mạch kín, đảm bảo truyền nhiệt từ bộ thu đến bộ trao đổi nhiệt trong bể

Giống như bất kỳ hệ thống nào dựa trên sự tuần hoàn tự nhiên, nó hoạt động không hiệu quả lắm, đòi hỏi phải tuân thủ các độ dốc cần thiết. Ngoài ra, bể chứa phải cao hơn tấm thu năng lượng mặt trời.

Để nước nóng lâu nhất có thể, bình chứa phải được cách nhiệt kỹ lưỡng.

Nếu bạn thực sự muốn đạt được hoạt động hiệu quả nhất của bộ thu năng lượng mặt trời, sơ đồ kết nối sẽ trở nên phức tạp hơn.

Chất làm mát không đóng băng lưu thông qua hệ thống thu năng lượng mặt trời. Tuần hoàn cưỡng bức được cung cấp bởi một máy bơm được điều khiển bởi bộ điều khiển.

Bộ điều khiển điều khiển hoạt động của bơm tuần hoàn dựa trên số đọc của ít nhất hai cảm biến nhiệt độ. Cảm biến đầu tiên đo nhiệt độ trong bể chứa, cảm biến thứ hai - trên đường ống cung cấp chất làm mát nóng của bộ thu năng lượng mặt trời. Ngay khi nhiệt độ trong bể vượt quá nhiệt độ của chất làm mát, bộ điều khiển trong bộ thu sẽ tắt bơm tuần hoàn, dừng lưu thông chất làm mát qua hệ thống.

Đổi lại, khi nhiệt độ trong bể chứa giảm xuống dưới giá trị cài đặt, lò hơi sẽ bật.

Sơ đồ kết nối pin năng lượng mặt trời

Sẽ rất hấp dẫn khi áp dụng một sơ đồ tương tự để kết nối pin mặt trời với lưới điện, như được thực hiện trong trường hợp bộ thu năng lượng mặt trời, tích lũy năng lượng nhận được trong ngày. Thật không may, đối với hệ thống cung cấp điện của một ngôi nhà riêng, việc tạo ra một bộ pin có đủ dung lượng là rất tốn kém. Do đó, sơ đồ kết nối trông như thế này.

Khi công suất dòng điện từ pin mặt trời giảm, thiết bị AVR ( tự động bật dự trữ) đảm bảo kết nối các hộ tiêu thụ với lưới điện chung

VỚI Tấm năng lượng mặt trờiđiện tích được cung cấp cho bộ điều khiển sạc, bộ điều khiển này thực hiện một số chức năng: đảm bảo sạc pin liên tục và ổn định điện áp. Tiếp theo, dòng điện chạy đến biến tần, nơi diễn ra quá trình chuyển đổi dòng điện một chiều Dòng điện một pha 12V hoặc 24V AC 220V.

Than ôi, mạng điện của chúng ta không phù hợp để nhận năng lượng, chúng chỉ có thể hoạt động theo một hướng từ nguồn đến người tiêu dùng. Vì lý do này, bạn sẽ không thể bán lượng điện đã lấy được hoặc ít nhất là làm cho đồng hồ quay theo hướng ngược lại.

Việc sử dụng các tấm pin mặt trời có lợi ở chỗ chúng cung cấp một loại năng lượng linh hoạt hơn, nhưng đồng thời chúng không thể so sánh về hiệu quả với các bộ thu năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, loại thứ hai không có khả năng lưu trữ năng lượng, không giống như pin quang điện mặt trời.

Cách tính công suất thu cần thiết

Khi tính toán công suất cần thiết của bộ thu năng lượng mặt trời, các phép tính thường bị nhầm lẫn dựa trên năng lượng mặt trời nhận vào vào những tháng lạnh nhất trong năm.

Thực tế là trong những tháng còn lại trong năm, toàn bộ hệ thống sẽ liên tục quá nóng. Vào mùa hè, nhiệt độ của chất làm mát ở đầu ra của bộ thu năng lượng mặt trời có thể đạt tới 200°C khi đun nóng hơi nước hoặc khí đốt, 120°C đối với chất chống đông, 150°C đối với nước. Nếu chất làm mát sôi, nó sẽ bay hơi một phần. Kết quả là, nó sẽ phải được thay thế.

• cung cấp nước nóng không quá 70%;
• cung cấp hệ thống sưởi ấm không quá 30%.

Phần nhiệt cần thiết còn lại phải được tạo ra bằng thiết bị sưởi tiêu chuẩn. Tuy nhiên, với các chỉ số như vậy, trung bình mỗi năm tiết kiệm được khoảng 40% chi phí sưởi ấm và cung cấp nước nóng.

Công suất được tạo ra bởi một ống duy nhất của hệ thống chân không phụ thuộc vào vị trí địa lý. Tốc độ năng lượng mặt trời giảm trên 1 m2 đất mỗi năm được gọi là ánh nắng mặt trời. Biết chiều dài và đường kính của ống, bạn có thể tính được khẩu độ - diện tích hấp thụ hiệu quả. Vẫn còn áp dụng hệ số hấp thụ và phát thải để tính công suất của một ống mỗi năm.

Ví dụ tính toán:

Chiều dài ống tiêu chuẩn là 1800 mm, chiều dài hiệu dụng là 1600 mm. Đường kính 58 mm. Khẩu độ là vùng bóng mờ được tạo ra bởi ống. Như vậy diện tích hình chữ nhật có bóng sẽ là:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928m2

Hiệu suất của ống giữa là 80%, lượng ánh nắng mặt trời cho Moscow khoảng 1170 kWh/m2/năm. Như vậy, một ống sẽ sản xuất mỗi năm:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh

Cần lưu ý rằng đây là một ước tính rất sơ bộ. Lượng năng lượng được tạo ra phụ thuộc vào hướng lắp đặt, góc, nhiệt độ trung bình hàng năm, v.v. được phát hành

Xây dựng hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời cho một ngôi nhà riêng bằng chính đôi tay của bạn không phải là một nhiệm vụ khó khăn như đối với một giáo dân thiếu hiểu biết. Điều này sẽ yêu cầu kỹ năng hàn và vật liệu có sẵn tại bất kỳ cửa hàng phần cứng nào.

Sự liên quan của việc tạo ra hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời cho một ngôi nhà riêng bằng chính đôi tay của bạn

Giành được quyền tự chủ hoàn toàn là ước mơ của mọi chủ sở hữu khi bắt đầu xây dựng tư nhân. Nhưng liệu năng lượng mặt trời có thực sự có khả năng sưởi ấm một tòa nhà dân cư, đặc biệt nếu thiết bị lưu trữ nó được lắp ráp trong gara?

Tùy thuộc vào khu vực, thông lượng mặt trời có thể dao động từ 50 W/m2 vào ngày nhiều mây đến 1400 W/m2 khi bầu trời mùa hè quang đãng. Với các chỉ số như vậy, ngay cả một bộ thu gom nguyên thủy có hiệu suất thấp (45-50%) và diện tích 15 m2. có thể sản xuất khoảng 7000-10000 kWh/năm. Và đây là 3 tấn củi được tiết kiệm cho lò hơi đốt nhiên liệu rắn!

• trung bình bằng mét vuông thiết bị chiếm 900 W;
• để tăng nhiệt độ nước cần tiêu tốn 1,16 W;
• cũng tính đến sự mất nhiệt của bộ thu, 1 mét vuông có thể làm nóng khoảng 10 lít nước mỗi giờ đến nhiệt độ 70 độ;
• để cung cấp 50 lít nước nóng cần thiết cho một người, bạn sẽ phải tiêu tốn 3,48 kW;
• Sau khi kiểm tra số liệu của Trung tâm khí tượng thủy văn về công suất bức xạ mặt trời (W/sq.m) trong khu vực, cần chia 3480 W cho công suất bức xạ mặt trời thu được - đây sẽ là diện tích yêu cầu của bộ thu năng lượng mặt trời để làm nóng 50 lít nước.

Khi nó trở nên rõ ràng, hiệu quả hệ thống máy sưởi Việc thực hiện nó hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời là khá khó khăn. Rốt cuộc, trong bóng tối thời điểm vào Đông Có rất ít bức xạ mặt trời và nên đặt một bộ thu có diện tích 120 m2 trên khu vực này. nó sẽ không phải lúc nào cũng thành công.

Vậy bộ thu năng lượng mặt trời có thực sự không hoạt động? Đừng giảm giá trước. Vì vậy, với sự trợ giúp của một bể chứa như vậy, bạn có thể làm mà không cần nồi hơi vào mùa hè - nguồn điện sẽ đủ để cung cấp nước nóng cho gia đình. Vào mùa đông, sẽ có thể giảm chi phí năng lượng nếu bạn cung cấp nước nóng từ bộ thu năng lượng mặt trời cho nồi hơi điện.
Ngoài ra, bộ thu năng lượng mặt trời sẽ là trợ thủ đắc lực cho máy bơm nhiệt trong ngôi nhà có hệ thống sưởi ở nhiệt độ thấp (sàn ấm).

Vì vậy, vào mùa đông, chất làm mát được làm nóng sẽ được sử dụng trong sàn có hệ thống sưởi, và vào mùa hè, nhiệt dư thừa có thể được truyền đến mạch địa nhiệt. Điều này sẽ làm giảm công suất của bơm nhiệt.
Suy cho cùng, nhiệt địa nhiệt không được tái tạo, do đó, theo thời gian, “túi lạnh” ngày càng hình thành trong đất. Ví dụ, trong mạch địa nhiệt thông thường, vào đầu mùa nóng, nhiệt độ là +5 độ và ở cuối -2C. Khi đun nóng, nhiệt độ ban đầu tăng lên +15 C và đến cuối mùa nóng không giảm xuống dưới +2 C.

Xây dựng một bộ thu năng lượng mặt trời tự chế

Đối với một bậc thầy tự tin vào khả năng của mình, việc lắp ráp một bộ thu nhiệt sẽ không khó. Bạn có thể bắt đầu với một thiết bị nhỏ để cung cấp nước nóng trong ngôi nhà của mình và nếu thử nghiệm thành công, hãy chuyển sang tạo ra một trạm năng lượng mặt trời chính thức.

Bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng làm bằng ống kim loại

Bộ sưu tập đơn giản nhất để thực hiện là một bộ sưu tập phẳng. Đối với thiết bị của nó, bạn sẽ cần:

• máy hàn;
• đường ống từ bằng thép không gỉ hoặc đồng;
• tấm thép;
• kính cường lực hoặc polycarbonate;
• ván gỗ làm khung;
• vật liệu cách nhiệt không cháy có thể chịu được kim loại nóng đến 200 độ;
• sơn đen mờ, chịu được nhiệt độ cao.

Việc lắp ráp bộ thu năng lượng mặt trời khá đơn giản:

1. Các đường ống được hàn vào một tấm thép - nó hoạt động như một chất hấp phụ năng lượng mặt trời, do đó, độ khít của các đường ống phải càng chặt càng tốt. Mọi thứ đều được sơn màu đen mờ.



2. Một khung được đặt trên tấm có ống sao cho các ống hướng vào nhau bên trong. Các lỗ được khoan cho đầu vào và đầu ra của đường ống. Cách nhiệt đang được cài đặt. Nếu sử dụng vật liệu hút ẩm, bạn cần chú ý chống thấm - xét cho cùng, khi bị ướt, lớp cách nhiệt sẽ không còn bảo vệ đường ống khỏi bị làm mát nữa.





3. Lớp cách nhiệt được cố định bằng tấm OSB, tất cả các mối nối đều được lấp đầy bằng chất bịt kín.
4. Về phía chất hấp phụ, người ta đặt kính trong suốt hoặc polycarbonate có khe hở không khí nhỏ. Nó phục vụ để ngăn chặn tấm thép làm mát.
5. Bạn có thể sửa kính bằng hạt cửa sổ bằng gỗ, sau khi bôi keo. Nó sẽ ngăn không khí lạnh xâm nhập và bảo vệ kính không bị co khung khi sưởi ấm và làm mát.

Để bộ thu gom hoạt động đầy đủ, bạn sẽ cần một bể chứa. Nó có thể được làm từ một thùng nhựa, cách nhiệt bên ngoài, trong đó bộ trao đổi nhiệt kết nối với bộ thu năng lượng mặt trời được đặt theo hình xoắn ốc. Đầu vào nước nóng phải được đặt ở trên cùng và đầu ra nước lạnh ở phía dưới.

Điều quan trọng là phải đặt bể và ống góp một cách chính xác. Để đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của nước, bể phải được đặt phía trên bộ thu và đường ống phải có độ dốc không đổi.

Máy sưởi năng lượng mặt trời làm từ phế liệu

Nếu bạn chưa thể kết bạn với một chiếc máy hàn, bạn có thể tạo ra một chiếc máy sưởi năng lượng mặt trời đơn giản từ những gì có trong tay. Ví dụ, từ lon thiếc. Để làm điều này, các lỗ được tạo ra ở phía dưới, các lon được gắn chặt với nhau bằng keo và chúng được đặt trên đó tại điểm nối bằng ống nhựa PVC. Chúng được sơn màu đen và đặt trong khung dưới kính giống như những chiếc ống thông thường.

Mặt tiền nhà năng lượng mặt trời

Tại sao không trang trí ngôi nhà bằng thứ gì đó hữu ích thay vì vách ngăn thông thường? Ví dụ, bằng cách làm một máy sưởi năng lượng mặt trời trên toàn bộ bức tường ở phía nam.

Giải pháp này sẽ cho phép tối ưu hóa chi phí sưởi ấm theo hai hướng cùng một lúc - giảm chi phí năng lượng và giảm đáng kể thất thoát nhiệt do lớp cách nhiệt bổ sung của mặt tiền.

Thiết bị này cực kỳ đơn giản và không yêu cầu các công cụ đặc biệt:

• một tấm mạ kẽm sơn được đặt trên lớp cách nhiệt;
• thép không gỉ được đặt lên trên ống sóng, cũng sơn đen;
• mọi thứ đều được phủ bằng tấm polycarbonate và cố định bằng các góc nhôm.

Nếu phương pháp này cũng có vẻ phức tạp thì video sẽ hiển thị một tùy chọn được làm từ ống thiếc, polypropylen và màng. Dễ dàng hơn nhiều!

Hệ thống sưởi ấm được chia như sau: thụ động (xem Chương 5); hoạt động, chủ yếu sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời và bể chứa chất lỏng; kết hợp.

Hệ thống sưởi ấm không khí đã trở nên phổ biến ở nước ngoài, nơi các công trình xây dựng hoặc nền đá đặc biệt bên dưới được sử dụng làm pin. Ở nước ta, Viện Kỹ thuật Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học UzSSR và TbilZNIIEP đang làm việc theo hướng này, nhưng kết quả của công việc rõ ràng là chưa đủ và chưa có giải pháp vững chắc nào được tạo ra, mặc dù về mặt lý thuyết, hệ thống không khí hiệu quả hơn so với các hệ thống không khí khác. hệ thống chất lỏng, trong đó bản thân hệ thống sưởi là bức xạ nhiệt độ thấp hoặc nhiệt độ cao với các thiết bị sưởi thông thường. Ở nước ta, các tòa nhà có hệ thống chất lỏng đã được phát triển bởi IVTAN, Viện Vật lý kỹ thuật thuộc Viện Hàn lâm Khoa học UzSSR, TashZNIIEP, TbilZNIIEP, KievZNIIEP và vân vân. và trong một số trường hợp được dựng lên.

Một lượng lớn thông tin về hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời đang hoạt động được đưa ra trong một cuốn sách xuất bản năm 1980. Phần sau đây mô tả hai tòa nhà dân cư riêng lẻ do KievZNIIEP phát triển, được xây dựng và thử nghiệm với hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời tự động: với hệ thống sưởi bức xạ bảng điều khiển nhiệt độ thấp (tòa nhà dân cư ở làng Kolesnoe, vùng Odessa) và với máy bơm nhiệt (tòa nhà dân cư ở làng Bucuria, Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Xô viết Moldavian).

Khi phát triển hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời cho một tòa nhà dân cư trong làng. Kolesnoye, một số thay đổi đã được thực hiện đối với phần kiến ​​​​trúc và xây dựng của ngôi nhà (dự án UkrNIIPgrazhdanselskstroy), nhằm mục đích điều chỉnh nó cho phù hợp với yêu cầu sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời: khối xây có lớp cách nhiệt hiệu quả được sử dụng cho các bức tường bên ngoài và lắp kính ba lớp cho cửa sổ; cuộn dây hệ thống sưởi ấm được kết hợp với trần nhà; một tầng hầm được cung cấp để đặt thiết bị; Việc cách nhiệt bổ sung cho tầng áp mái và thu hồi nhiệt khí thải đã được thực hiện.

Về mặt bố trí kiến ​​trúc, ngôi nhà được thiết kế theo hai tầng. Tầng trệt có mặt tiền, phòng sinh hoạt chung, phòng ngủ, bếp, phòng tắm và kho chứa đồ, tầng 2 có hai phòng ngủ và một phòng tắm, có bếp điện để nấu nướng. Thiết bị của hệ thống sưởi năng lượng mặt trời (trừ bộ thu) được đặt ở tầng hầm; Hệ thống được hỗ trợ bởi các máy nước nóng điện, cho phép cung cấp một nguồn năng lượng duy nhất vào tòa nhà và cải thiện chất lượng tiện nghi của nhà ở.

Hệ thống sưởi ấm năng lượng mặt trời cho một tòa nhà dân cư (Hình 4.1) bao gồm Từ ba mạch: tuần hoàn nhận nhiệt Và mạch cấp nước nóng và sưởi ấm. Đầu tiên trong số họ bao gồm máy nước nóng năng lượng mặt trời, bộ trao đổi nhiệt dạng cuộn của bể chứa, bơm tuần hoàn và bộ trao đổi nhiệt “ống trong ống” để vận hành hệ thống vào mùa hè ở chế độ tuần hoàn tự nhiên. Thiết bị được kết nối bằng hệ thống đường ống với các phụ kiện, thiết bị đo đạc và thiết bị tự động hóa. Bể chứa có dung tích 16 m3 chứa bộ trao đổi nhiệt dạng cuộn hai phần có diện tích bề mặt 4,6 m2 cho chất làm mát mạch tuần hoàn và bộ trao đổi nhiệt một phần có diện tích bề mặt 1,2 m2 cho phần nóng. hệ thống cấp nước. Công suất nhiệt của bể có nhiệt độ nước +45 ° C cung cấp yêu cầu sưởi ấm trong ba ngày cho một tòa nhà dân cư. Một bộ trao đổi nhiệt “ống trong ống” có diện tích bề mặt 1,25 m2 được đặt dưới sườn mái nhà.

Mạch sưởi bao gồm hai phần được nối nối tiếp: một phần bức xạ với các tấm gia nhiệt dòng chảy đảm bảo hệ thống hoạt động ở chế độ cơ bản với chênh lệch nhiệt độ nước là 45 ... 35 ° C và một ống đơn thẳng đứng có Bộ đối lưu loại “thoải mái” cung cấp khả năng sưởi ấm cho tải hệ thống tối đa với chênh lệch nhiệt độ nước là 75 ... 70 ° C. Các cuộn ống của tấm sưởi được nhúng vào lớp thạch cao và lớp hoàn thiện của tấm trần lõi rỗng tròn. Bộ đối lưu được cài đặt dưới cửa sổ. Tuần hoàn trong hệ thống sưởi ấm được kích thích. Việc làm nóng nước cao điểm được thực hiện bằng máy nước nóng chạy điện EPV-2 có công suất 10 kW; nó cũng phục vụ như một bản sao lưu cho hệ thống sưởi ấm.

Mạch cấp nước nóng bao gồm một bộ trao đổi nhiệt được tích hợp trong bể chứa và một máy nước nóng điện tức thời thứ hai như một hệ thống gần gũi và dự phòng hơn.

Trong thời gian gia nhiệt, nhiệt từ các bộ thu nhiệt được truyền bằng chất làm mát (dung dịch ethylene glycol 45%) sang nước trong bể chứa, chất này được bơm dẫn đến cuộn dây của tấm sưởi, sau đó quay trở lại bể chứa. .

Nhiệt độ không khí cần thiết trong nhà được duy trì bởi bộ điều chỉnh tự động RPT-2 bằng cách bật và tắt máy nước nóng điện trong phần đối lưu của hệ thống sưởi.

Vào mùa hè, hệ thống đáp ứng nhu cầu cung cấp nước nóng từ bộ trao đổi nhiệt “ống trong ống” với sự tuần hoàn tự nhiên của chất làm mát trong mạch nhận nhiệt. Việc chuyển đổi sang lưu thông khuyến khích được thực hiện bằng bộ điều chỉnh vi sai điện tử RPT-2.

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời cho một tòa nhà dân cư bốn phòng trong làng. Bucuria của Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Xô viết Moldavian được thiết kế bởi Viện Moldgiprograzhdanselstroy dưới sự giám sát khoa học của KievZNIIEP.

Tòa nhà dân cư thuộc loại gác mái. Tầng trệt có phòng sinh hoạt chung, bếp, phòng giặt, phòng tiện ích, tầng 2 có 3 phòng ngủ. Tầng hầm có gara và hầm để lắp đặt hệ thống sưởi năng lượng mặt trời. Ngôi nhà được kết nối với một tòa nhà phụ, bao gồm nhà bếp mùa hè, vòi hoa sen, mái che, hàng tồn kho và nhà xưởng.

Hệ thống sưởi ấm năng lượng mặt trời tự động (Hình 2). 4.2) là hệ thống lắp đặt máy bơm nhiệt năng lượng mặt trời kết hợp được thiết kế để cung cấp nhu cầu sưởi ấm (tổn thất nhiệt tính toán của ngôi nhà là 11 kW) và cung cấp nước nóng quanh năm. Việc thiếu nhiệt mặt trời và nhiệt từ máy nén của hệ thống bơm nhiệt được bù đắp bằng hệ thống sưởi điện. Hệ thống bao gồm bốn mạch: mạch tuần hoàn nhận nhiệt, mạch bơm nhiệt, hệ thống sưởi và cung cấp nước nóng.

Các thiết bị của mạch thu nhiệt bao gồm bộ thu năng lượng mặt trời, bộ trao đổi nhiệt “ống trong ống” và bể chứa có dung tích 16 m3 với bộ trao đổi nhiệt tích hợp có diện tích bề mặt 6 m2. Các bộ thu năng lượng mặt trời do KievZNIIEP thiết kế với kính hai lớp có tổng diện tích 70 m2 được đặt trong khung ở sườn phía nam của mái nhà ở góc 55° so với đường chân trời. 45 được sử dụng làm chất làm mát % dung dịch nước ethylene glycol. Bộ trao đổi nhiệt được đặt dưới sườn mái, phần còn lại của thiết bị được đặt ở tầng hầm của ngôi nhà.

Bộ làm lạnh máy nén-ngưng tụ AK1-9 có công suất nhiệt 11,5 kW và mức tiêu thụ điện năng 4,5 kW đóng vai trò là bộ phận bơm nhiệt. Tác nhân làm việc của việc lắp đặt bơm nhiệt là freon-12. Máy nén là loại máy nén piston không bịt kín, thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi là dạng vỏ và ống làm mát bằng nước.

Thiết bị mạch sưởi ấm bao gồm máy bơm tuần hoàn, thiết bị sưởi ấm loại Tiện nghi và máy nước nóng điện tức thời EPV-2 như một thiết bị gần hơn và dự phòng. Thiết bị của mạch cấp nước nóng bao gồm máy nước nóng điện dung (0,4 m3) loại STD có bề mặt trao đổi nhiệt 0,47 m2 và máy sưởi điện cuối BAS-10/M 4-04 có công suất 1 kW. Bơm tuần hoàn tất cả các mạch - loại TsVT, không kín, thẳng đứng, độ ồn thấp, không nền móng.

Hệ thống hoạt động như sau. Chất làm mát truyền nhiệt từ bộ thu vào nước trong bể chứa và freon trong thiết bị bay hơi của bơm nhiệt. Freon hơi, sau khi bị nén trong máy nén, ngưng tụ trong bình ngưng, do đó làm nóng nước trong hệ thống sưởi và nước máy trong hệ thống cấp nước nóng.

Trong trường hợp không có bức xạ mặt trời và tiêu thụ nhiệt dự trữ trong bể chứa, bộ bơm nhiệt sẽ tắt và ngôi nhà được cung cấp nhiệt hoàn toàn từ máy nước nóng điện (nồi hơi điện). Vào mùa đông, bộ phận bơm nhiệt chỉ hoạt động ở một mức nhiệt độ không khí bên ngoài âm nhất định (không thấp hơn - 7 ° C) để tránh đóng băng nước trong bể chứa. Vào mùa hè, hệ thống cấp nước nóng được cung cấp nhiệt chủ yếu thông qua sự tuần hoàn tự nhiên của chất làm mát thông qua bộ trao đổi nhiệt “ống trong ống”. Là kết quả của việc thực hiện chế độ khác nhau vận hành, lắp đặt bơm nhiệt năng lượng mặt trời kết hợp cho phép tiết kiệm nhiệt khoảng 40 GJ/năm (kết quả vận hành các lắp đặt này được trình bày ở Chương 8).

Sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời và bơm nhiệt còn được thể hiện trong thiết bị kỹ thuật do TsNIIEP phát triển

Cơm. 4.3. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiệt tại Gelendzhik 1 - bộ thu năng lượng mặt trời; 2 - hâm nóng bộ trao đổi nhiệt bằng chất làm mát từ mạch ngưng tụ bơm nhiệt; 3 - hâm nóng bộ trao đổi nhiệt với chất làm mát từ mạng lưới sưởi ấm; 4 - bơm mạch ngưng tụ; 5 - Bơm nhiệt; 6 - bơm mạch bay hơi; 7 - bộ trao đổi nhiệt để làm nóng (làm mát) nước trong mạch bay hơi (bình ngưng); 8 - Bộ trao đổi nhiệt để sưởi ấm nguồn nước (thô); 9 - máy bơm nước nóng; 10 - Bình ắc quy; 11 - bộ trao đổi nhiệt mạch năng lượng mặt trời; 12 - bơm mạch năng lượng mặt trời

Dự án cung cấp nhiệt cho khu phức hợp khách sạn "Bãi biển thân thiện" ở Gelendzhik (Hình 4.3).

Cơ sở lắp đặt bơm nhiệt năng lượng mặt trời bao gồm: bộ thu năng lượng mặt trời phẳng với tổng diện tích 690 m2 và ba máy làm lạnh MKT 220-2-0 có bán trên thị trường hoạt động ở chế độ bơm nhiệt. Sản lượng nhiệt hàng năm ước tính là khoảng 21.000 GJ, bao gồm 1.470 GJ từ việc lắp đặt năng lượng mặt trời.

Nước biển là nguồn nhiệt cấp thấp cho máy bơm nhiệt. Để đảm bảo hoạt động không bị ăn mòn và không có cặn của các bề mặt gia nhiệt của bộ thu gom, đường ống và bình ngưng, chúng được đổ đầy nước làm mềm và khử khí từ mạng lưới sưởi ấm. So với sơ đồ cung cấp nhiệt truyền thống từ lò hơi, việc sử dụng các nguồn nhiệt phi truyền thống -

Mặt trời và nước biển, cho phép bạn tiết kiệm khoảng 500 tấn thông thường. nhiên liệu/năm

Một ví dụ điển hình khác về việc sử dụng các nguồn năng lượng mới là dự án cung cấp nhiệt cho một trang viên sử dụng

Lắp đặt máy bơm nhiệt năng lượng mặt trời. Dự án cung cấp sự đáp ứng đầy đủ quanh năm về nhu cầu sưởi ấm và cung cấp nước nóng của một trang viên kiểu gác mái với diện tích sinh hoạt 55 m2. Nguồn nhiệt cấp thấp cho bơm nhiệt là đất. Hiệu quả kinh tế ước tính từ việc triển khai hệ thống ít nhất là 300 rúp. mỗi căn hộ so với phương án cung cấp nhiệt truyền thống từ thiết bị nhiên liệu rắn.

Sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời là một phương pháp sưởi ấm một tòa nhà dân cư, đang ngày càng trở nên phổ biến ở nhiều nước, chủ yếu là các nước phát triển trên thế giới. Những thành công lớn nhất ngày nay họ có thể tự hào về lĩnh vực năng lượng nhiệt mặt trời ở các nước Tây và Trung Âu. Tại Liên minh Châu Âu, trong thập kỷ qua, ngành năng lượng tái tạo đã có mức tăng trưởng hàng năm là 10–12%. Mức độ phát triển này là một chỉ số rất quan trọng.

đâu thu mặt trơi

Một trong những lĩnh vực ứng dụng rõ ràng nhất của năng lượng mặt trời là sử dụng nó để làm nóng nước và không khí (làm chất làm mát). Ở những vùng khí hậu nơi thời tiết lạnh chiếm ưu thế, để cuộc sống thoải mái của người dân, việc tính toán và tổ chức hệ thống sưởi ấm cho từng công trình dân cư là bắt buộc. Họ phải có nguồn cung cấp nước nóng cho nhiều nhu cầu khác nhau và ngôi nhà cũng phải được sưởi ấm. Tất nhiên, lựa chọn tốt nhất ở đây là sử dụng sơ đồ nơi chúng hoạt động hệ thống tự động cung cấp nhiệt.

Các doanh nghiệp công nghiệp yêu cầu một lượng lớn nước nóng cung cấp hàng ngày trong quá trình sản xuất. Một ví dụ là Úc, nơi gần 20% tổng năng lượng tiêu thụ được dùng để làm nóng chất lỏng làm mát đến nhiệt độ không quá 100 o C. Vì lý do này, ở một số nước phương Tây phát triển và ở mức độ lớn hơn ở Israel, Bắc Mỹ, Nhật Bản và tất nhiên là Úc, việc sản xuất hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời đang mở rộng rất nhanh.

Trong tương lai gần, sự phát triển năng lượng chắc chắn sẽ hướng tới việc sử dụng bức xạ mặt trời. Mật độ bức xạ mặt trời trên mỗi bề mặt trái đất trung bình 250 W mỗi mét vuông. Và điều này bất chấp thực tế là để đáp ứng nhu cầu kinh tế của con người ở những khu vực kém công nghiệp hóa nhất, hai watt trên một mét vuông là đủ.

Sự khác biệt thuận lợi giữa năng lượng mặt trời và các ngành năng lượng khác sử dụng quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch là tính thân thiện với môi trường của năng lượng được tạo ra. Hoạt động của thiết bị năng lượng mặt trời không dẫn đến việc thải ra khí thải độc hại vào khí quyển.

Lựa chọn sơ đồ ứng dụng thiết bị, hệ thống thụ động và chủ động

Có hai phương án sử dụng bức xạ mặt trời làm hệ thống sưởi ấm cho ngôi nhà. Đây là những hệ thống chủ động và thụ động. Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời thụ động là hệ thống trong đó phần tử hấp thụ trực tiếp bức xạ năng lượng mặt trời và bản thân cấu trúc của ngôi nhà hoặc các bộ phận riêng lẻ của nó tạo ra nhiệt từ nó. Các yếu tố này có thể là hàng rào, mái nhà hoặc các bộ phận riêng lẻ của tòa nhà được xây dựng trên cơ sở một sơ đồ cụ thể. Hệ thống thụ động không sử dụng các bộ phận chuyển động cơ học.

Các hệ thống hoạt động hoạt động trên cơ sở sơ đồ ngược lại để sưởi ấm ngôi nhà, chúng tích cực sử dụng các thiết bị cơ khí (máy bơm, động cơ; khi sử dụng chúng, công suất cần thiết cũng được tính toán).

Hệ thống thụ động có thiết kế đơn giản nhất và ít tốn kém hơn về mặt tài chính khi lắp đặt mạch điện. Các sơ đồ sưởi ấm như vậy không yêu cầu lắp đặt các thiết bị bổ sung để hấp thụ và phân phối bức xạ mặt trời tiếp theo trong hệ thống sưởi ấm gia đình. Hoạt động của các hệ thống như vậy dựa trên nguyên tắc sưởi ấm trực tiếp không gian sống thông qua các bức tường truyền ánh sáng nằm ở phía nam. Chức năng bổ sung hệ thống sưởi được thực hiện bởi các bề mặt bên ngoài của các bộ phận hàng rào ngôi nhà, được trang bị một lớp màn hình trong suốt.

Để bắt đầu quá trình chuyển đổi bức xạ mặt trời thành năng lượng nhiệt, một hệ thống thiết kế được sử dụng dựa trên việc sử dụng các bộ thu năng lượng mặt trời có bề mặt trong suốt, trong đó “hiệu ứng nhà kính” đóng vai trò chính; khả năng giữ bức xạ nhiệt của kính được sử dụng , do đó làm tăng nhiệt độ trong phòng.

Điều đáng chú ý là việc chỉ sử dụng một loại hệ thống có thể không hoàn toàn hợp lý. Thông thường, các tính toán cẩn thận cho thấy có thể giảm đáng kể lượng nhiệt thất thoát và nhu cầu năng lượng của tòa nhà thông qua việc sử dụng các hệ thống tích hợp. Công việc chung cả hệ thống chủ động và thụ động bằng cách kết hợp những phẩm chất tích cực sẽ mang lại hiệu quả tối đa.

Một tính toán hiệu suất điển hình cho thấy bức xạ mặt trời thụ động sẽ cung cấp khoảng 14 đến 16% nhu cầu sưởi ấm cho ngôi nhà của bạn. Một hệ thống như vậy sẽ là một thành phần quan trọng của quá trình tạo nhiệt.

Tuy nhiên, bất chấp những phẩm chất tích cực nhất định của hệ thống thụ động, khả năng cơ bản để đáp ứng đầy đủ nhu cầu nhiệt của tòa nhà vẫn cần sử dụng thiết bị sưởi chủ động. Hệ thống có chức năng hấp thụ, tích lũy và phân phối trực tiếp bức xạ mặt trời.

Lập kế hoạch và tính toán

Tính toán khả năng lắp đặt hệ thống sưởi chủ động sử dụng năng lượng mặt trời (pin mặt trời tinh thể, bộ thu năng lượng mặt trời), tốt nhất là ở giai đoạn thiết kế tòa nhà. Tuy nhiên, điểm này không bắt buộc, việc lắp đặt hệ thống như vậy cũng có thể thực hiện được trên một dự án hiện có, bất kể nó được xây dựng vào năm nào (cơ sở thành công là tính toán chính xác toàn bộ sơ đồ).

Thiết bị được lắp đặt ở phía nam của ngôi nhà. Sự sắp xếp này tạo điều kiện cho sự hấp thụ tối đa bức xạ mặt trời tới vào mùa đông. Các tế bào quang điện chuyển đổi năng lượng mặt trời và được lắp đặt trên một cấu trúc cố định có hiệu quả nhất khi được gắn so với bề mặt trái đất ở một góc bằng với vị trí địa lý của tòa nhà được sưởi ấm. Góc của mái nhà, mức độ quay của ngôi nhà về phía nam - đây là những điểm quan trọng phải được tính đến khi tính toán toàn bộ sơ đồ sưởi ấm.

Các tế bào quang điện mặt trời và bộ thu năng lượng mặt trời phải được lắp đặt càng gần nơi tiêu thụ năng lượng càng tốt. Hãy nhớ rằng bạn xây phòng tắm và nhà bếp càng gần thì lượng nhiệt thất thoát càng ít (trong tùy chọn này, bạn có thể sử dụng một bộ thu năng lượng mặt trời, nó sẽ làm nóng cả hai phòng). Tiêu chí đánh giá chính khi lựa chọn thiết bị bạn cần là hiệu quả của nó.

Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời chủ động được chia thành các nhóm sau theo các tiêu chí sau:

1. Áp dụng mạch dự phòng;
2. Tính thời vụ của công việc (quanh năm hoặc theo mùa nhất định);
3. Mục đích chức năng - sưởi ấm, cung cấp nước nóng và hệ thống kết hợp;
4. Chất làm mát được sử dụng là chất lỏng hoặc không khí;
5. Ứng dụng giải pháp kỹ thuật số mạch (1, 2 trở lên).

Dữ liệu kinh tế chung sẽ đóng vai trò là yếu tố chính trong việc lựa chọn một trong các loại thiết bị. Tính toán nhiệt thành thạo của toàn bộ hệ thống sẽ giúp bạn đưa ra quyết định đúng đắn. Việc tính toán phải được thực hiện có tính đến các chỉ số của từng phòng cụ thể nơi dự kiến ​​tổ chức sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời và (hoặc) cung cấp nước nóng. Cần phải tính đến vị trí của tòa nhà, điều kiện tự nhiên về khí hậu và chi phí của nguồn năng lượng bị dịch chuyển. Tính toán chính xác và lựa chọn thành công sơ đồ tổ chức cung cấp nhiệt là chìa khóa cho tính khả thi về mặt kinh tế của việc sử dụng thiết bị năng lượng mặt trời.

Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời

Sơ đồ sưởi ấm phổ biến nhất được sử dụng là lắp đặt các bộ thu năng lượng mặt trời, cung cấp chức năng lưu trữ năng lượng hấp thụ trong một thùng chứa đặc biệt - pin.

Đến nay, nhất phân phối lớn hơnđã nhận được các chương trình sưởi ấm mạch kép cho các khu dân cư trong đó hệ thống cưỡng chế tuần hoàn chất làm mát trong bộ thu. Nguyên lý hoạt động của nó như sau. Nước nóng được cung cấp từ điểm trên cùng của bể chứa, quá trình diễn ra tự động theo các định luật vật lý. Nước lạnh chảy được điều áp vào phần dưới của bể; nước này thay thế nước nóng tích tụ ở phần trên của bể, sau đó đi vào hệ thống cấp nước nóng của ngôi nhà để đáp ứng nhu cầu sưởi ấm và gia đình.

Đối với nhà ở một gia đình, thường lắp đặt một bể chứa có dung tích từ 400 đến 800 lít. Để làm nóng chất lỏng truyền nhiệt có thể tích như vậy, tùy thuộc vào điều kiện tự nhiên Cần phải tính toán chính xác diện tích bề mặt của bộ thu năng lượng mặt trời. Cũng cần phải biện minh cho việc sử dụng thiết bị một cách tiết kiệm.

Bộ thiết bị tiêu chuẩn để lắp đặt hệ thống sưởi năng lượng mặt trời như sau:

• Trực tiếp chính bộ thu năng lượng mặt trời;
• Hệ thống buộc chặt (giá đỡ, dầm, giá đỡ);
• Bể chứa;
• Bể bù cho sự giãn nở quá mức của chất làm mát;
• Thiết bị điều khiển vận hành máy bơm;
• Bơm (bộ van);
• Cảm biến nhiệt độ;
• Thiết bị trao đổi nhiệt (dùng trong mạch có khối lượng lớn);
• Ống cách nhiệt;
• Van an toàn và điều khiển;
• Phù hợp.

Hệ thống dựa trên các tấm hấp thụ nhiệt. Những tấm như vậy thường được sử dụng ở giai đoạn xây dựng mới. Để cài đặt chúng bạn cần xây dựng thiết kế đặc biệt, gọi là mái nóng. Điều này có nghĩa là các tấm phải được lắp trực tiếp vào kết cấu mái, sử dụng các thành phần mái làm yếu tố cấu thành vỏ thiết bị. Việc lắp đặt như vậy sẽ giảm chi phí tạo ra hệ thống sưởi ấm của bạn, nhưng sẽ yêu cầu công việc chống thấm chất lượng cao cho các mối nối của thiết bị và mái nhà. Phương pháp lắp đặt thiết bị này sẽ yêu cầu bạn phải thiết kế và lập kế hoạch cẩn thận cho tất cả các giai đoạn của công việc. Cần phải giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến việc định tuyến đường ống, đặt bể chứa, lắp đặt máy bơm và điều chỉnh độ dốc. Khá nhiều vấn đề trong quá trình lắp đặt sẽ phải giải quyết nếu tòa nhà không quay về hướng Nam một cách tốt nhất.

Nhìn chung, một dự án hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời sẽ khác với những dự án khác ở các mức độ khác nhau. Chỉ những nguyên tắc cơ bản của hệ thống sẽ không thay đổi. Vì vậy, hãy cung cấp danh sách chính xác các bộ phận cần thiết cho cài đặt hoàn tất không thể cài đặt toàn bộ hệ thống, vì trong quá trình cài đặt có thể cần phải sử dụng các yếu tố và vật liệu bổ sung.

Hệ thống sưởi ấm chất lỏng

Trong các hệ thống hoạt động dựa trên chất làm mát bằng chất lỏng, nước thông thường được sử dụng làm phương tiện lưu trữ. Sự hấp thụ năng lượng xảy ra trong các bộ thu năng lượng mặt trời có thiết kế phẳng. Năng lượng được tích lũy trong bể chứa và tiêu thụ khi cần thiết.

Để truyền năng lượng từ thiết bị lưu trữ đến tòa nhà, người ta sử dụng bộ trao đổi nhiệt nước-nước hoặc nước-không khí. Hệ thống cấp nước nóng được trang bị thêm một bể chứa gọi là bể gia nhiệt trước. Nước được làm nóng trong đó do bức xạ mặt trời và sau đó đi vào máy nước nóng thông thường.

Hệ thống sưởi ấm không khí

Hệ thống này sử dụng không khí làm chất mang nhiệt. Chất làm mát được làm nóng trong một bộ thu năng lượng mặt trời phẳng, sau đó không khí nóng đi vào phòng được sưởi ấm hoặc vào một thiết bị lưu trữ đặc biệt, nơi năng lượng hấp thụ được tích lũy trong một vòi đặc biệt, được làm nóng bởi không khí nóng đi vào. Nhờ tính năng này, hệ thống tiếp tục cung cấp nhiệt cho ngôi nhà ngay cả vào ban đêm khi không có bức xạ mặt trời.

Hệ thống tuần hoàn cưỡng bức và tự nhiên

Cơ sở cho hoạt động của hệ thống tuần hoàn tự nhiên là chuyển động độc lập của chất làm mát. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ tăng, nó mất đi mật độ và do đó có xu hướng hướng về phần trên của thiết bị. Sự chênh lệch áp suất tạo ra là yếu tố làm cho thiết bị hoạt động.

27.09.2019

Phân loại và các yếu tố chính của hệ mặt trời

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời là hệ thống sử dụng bức xạ mặt trời làm nguồn năng lượng nhiệt. Sự khác biệt đặc trưng của chúng so với các hệ thống khác là sưởi ấm nhiệt độ thấp là việc sử dụng một bộ phận đặc biệt - một bộ thu năng lượng mặt trời, được thiết kế để thu bức xạ mặt trời và chuyển nó thành năng lượng nhiệt.

Theo phương pháp sử dụng bức xạ mặt trời, hệ thống sưởi ấm nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời được chia thành thụ động và chủ động.

Thụ động hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời được gọi là hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời, trong đó bản thân tòa nhà hoặc các hàng rào riêng lẻ của nó đóng vai trò là bộ phận nhận bức xạ mặt trời và chuyển nó thành nhiệt (tòa nhà thu, tường thu, thu trên mái, Hình 1).

Trong các hệ thống năng lượng mặt trời thụ động, việc sử dụng năng lượng mặt trời được thực hiện độc quyền thông qua các giải pháp kiến ​​trúc và kết cấu của các tòa nhà.

Trong hệ thống sưởi ấm nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời thụ động, bức xạ mặt trời của bộ thu năng lượng mặt trời của tòa nhà xuyên qua các khe hở ánh sáng vào phòng sẽ rơi vào một bẫy nhiệt. Bức xạ mặt trời sóng ngắn truyền tự do qua kính cửa sổ và rơi xuống các hàng rào bên trong căn phòng và chuyển thành nhiệt. Tất cả bức xạ mặt trời đi vào phòng đều được chuyển thành nhiệt và có thể bù đắp một phần hoặc toàn bộ lượng nhiệt bị mất.

Để tăng hiệu quả của hệ thống thu gom tòa nhà, các lỗ lấy sáng diện tích lớn được đặt ở mặt tiền phía Nam, được trang bị rèm, khi đóng lại sẽ ngăn ngừa tổn thất do bức xạ ngược trong bóng tối và trong thời kỳ nóng bức, trong kết hợp với các thiết bị chống nắng khác, tránh tình trạng quá nóng của căn phòng. Bề mặt bên trong được sơn màu tối.

Nhiệm vụ tính toán của phương pháp sưởi ấm này là xác định diện tích cần thiết của các khe hở ánh sáng để truyền dòng bức xạ mặt trời vào phòng, điều này là cần thiết, có tính đến sự tích tụ để bù đắp tổn thất nhiệt. Theo quy định, sức mạnh của hệ thống thu gom thụ động của tòa nhà trong thời kỳ lạnh là không đủ và một nguồn nhiệt bổ sung được lắp đặt trong tòa nhà, biến hệ thống thành một hệ thống kết hợp. Bằng tính toán, xác định được diện tích khả thi về mặt kinh tế của các lỗ lấy sáng và công suất của nguồn nhiệt bổ sung.

Hệ thống sưởi ấm không khí nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời thụ động “bộ thu gom trên tường” bao gồm một khối lớn mặt ngoài tường, phía trước có lắp một tấm màn mờ có rèm ở khoảng cách ngắn. Các lỗ dạng khe có van được lắp đặt trên các bức tường gần sàn và dưới trần nhà. Các tia nắng khi xuyên qua tấm màn mờ sẽ được bề mặt của bức tường lớn hấp thụ và chuyển thành nhiệt, nhiệt này được truyền đối lưu đến không khí nằm trong khoảng không giữa màn hình và bức tường. Không khí nóng lên và bốc lên, đi vào phòng dịch vụ qua một khe dưới trần nhà, và vị trí của nó được thay thế bởi không khí mát từ phòng, thâm nhập vào khoảng không giữa tường và màn thông qua một khe gần sàn phòng. Việc cung cấp không khí nóng vào phòng được kiểm soát bằng cách mở van. Nếu van đóng, nhiệt sẽ tích tụ trong khối tường. Nhiệt lượng này có thể được loại bỏ bằng luồng không khí đối lưu bằng cách mở van vào ban đêm hoặc khi trời nhiều mây.

Khi tính toán một hệ mặt trời nhiệt độ thấp thụ động như vậy sưởi ấm không khí xác định diện tích bề mặt tường cần thiết. Hệ thống này cũng được nhân đôi với một nguồn nhiệt bổ sung.

Tích cựcđược gọi là hệ thống sưởi ấm nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời, trong đó bộ thu năng lượng mặt trời là một thiết bị riêng biệt độc lập không liên quan đến tòa nhà. Các hệ thống năng lượng mặt trời đang hoạt động có thể được chia thành:

• theo mục đích (cung cấp nước nóng, hệ thống sưởi ấm, hệ thống kết hợp cho mục đích cung cấp nhiệt và lạnh);
• theo loại chất làm mát được sử dụng (lỏng - nước, chất chống đông và không khí);
• theo thời gian làm việc (quanh năm, thời vụ);
• về giải pháp kỹ thuật mạch (một, hai, nhiều mạch).

Đối với hệ thống sưởi năng lượng mặt trời chủ động, hai loại máy thu năng lượng mặt trời được sử dụng: tập trung và phẳng.

Không khí là chất làm mát được sử dụng rộng rãi, không bị đóng băng trong toàn bộ phạm vi thông số vận hành. Khi sử dụng nó làm chất làm mát, có thể kết hợp hệ thống sưởi với hệ thống thông gió. Tuy nhiên, không khí là chất làm mát nhiệt độ thấp, dẫn đến tiêu thụ kim loại để lắp đặt hệ thống sưởi ấm không khí tăng lên so với hệ thống nước. Nước là chất làm mát tốn nhiều nhiệt và được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, ở nhiệt độ dưới 0 ◦ C, cần bổ sung thêm chất lỏng chống đông vào. Ngoài ra, phải tính đến việc nước bão hòa oxy gây ra sự ăn mòn đường ống và thiết bị. Nhưng mức tiêu thụ kim loại trong hệ thống nước năng lượng mặt trời thấp hơn nhiều, điều này góp phần rất lớn vào việc sử dụng rộng rãi hơn.

Hệ thống cung cấp nước nóng năng lượng mặt trời theo mùa thường là mạch đơn và hoạt động vào mùa hè và những tháng chuyển tiếp, trong những khoảng thời gian có nhiệt độ bên ngoài dương. Họ có thể có nguồn nhiệt bổ sung hoặc không có nguồn nhiệt, tùy thuộc vào mục đích của đối tượng được bảo trì và điều kiện hoạt động.

Hệ thống sưởi ấm nước bằng năng lượng mặt trời VU (Hình 2) bao gồm bộ thu năng lượng mặt trời và bộ tích lũy trao đổi nhiệt. Chất làm mát (chất chống đông) lưu thông qua bộ thu năng lượng mặt trời. Chất làm mát được làm nóng trong bộ thu năng lượng mặt trời bằng năng lượng của Mặt trời và sau đó giải phóng năng lượng nhiệt vào nước thông qua bộ trao đổi nhiệt gắn trong bộ tích lũy. Bể chứa chứa nước nóng cho đến khi sử dụng nên phải được cách nhiệt tốt. Trong mạch sơ cấp, nơi đặt bộ thu năng lượng mặt trời, có thể sử dụng tuần hoàn chất làm mát tự nhiên hoặc cưỡng bức. Có thể lắp đặt một máy sưởi dự phòng bằng điện hoặc một số loại máy sưởi dự phòng tự động khác trong bể chứa. Nếu nhiệt độ trong bể chứa giảm xuống dưới mức cài đặt (thời tiết nhiều mây kéo dài hoặc vài giờ nắng vào mùa đông), máy sưởi dự phòng sẽ tự động bật và làm nóng nước đến nhiệt độ cài đặt.

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời cho các tòa nhà thường là mạch kép hoặc phổ biến nhất là đa mạch và các chất làm mát khác nhau có thể được sử dụng cho các mạch khác nhau (ví dụ, trong mạch năng lượng mặt trời - dung dịch nước của chất lỏng không đóng băng, trong mạch trung gian - nước và trong mạch tiêu dùng - không khí). Các hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp quanh năm nhằm mục đích cung cấp nhiệt và lạnh cho các tòa nhà là hệ thống đa mạch và bao gồm một nguồn nhiệt bổ sung dưới dạng máy phát nhiệt truyền thống chạy bằng nhiên liệu hóa thạch hoặc máy biến nhiệt. Sơ đồ của hệ thống sưởi năng lượng mặt trời được thể hiện trong Hình 3. Nó bao gồm ba mạch tuần hoàn:

• mạch thứ nhất, bao gồm bộ thu năng lượng mặt trời 1, bơm tuần hoàn 8 và bộ trao đổi nhiệt lỏng 3;
• mạch thứ hai, bao gồm bể chứa 2, bơm tuần hoàn 8 và bộ trao đổi nhiệt 3;
• mạch thứ ba, bao gồm bể chứa 2, bơm tuần hoàn 8, bộ trao đổi nhiệt nước-không khí (lò sưởi) 5.

Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời hoạt động như sau. Chất làm mát (chất chống đông) của mạch nhận nhiệt, nóng lên trong bộ thu năng lượng mặt trời 1, đi vào bộ trao đổi nhiệt 3, tại đây nhiệt của chất chống đông được truyền sang nước tuần hoàn trong không gian giữa các ống của bộ trao đổi nhiệt 3 dưới tác dụng của bơm 8 của mạch thứ cấp. Nước nóng đi vào bể chứa 2. Từ bể chứa, nước được bơm cấp nước nóng 8 lấy ra, nếu cần, đưa đến nhiệt độ cần thiết trong dự phòng 7 và đi vào hệ thống cấp nước nóng của tòa nhà. Bình ắc quy được sạc lại từ nguồn nước. Để sưởi ấm, nước từ bể chứa 2 được cung cấp bởi bơm mạch thứ ba 8 đến lò sưởi 5, qua đó không khí được truyền qua nhờ sự trợ giúp của quạt 9 và khi được làm nóng, sẽ đi vào tòa nhà 4. Trong trường hợp không có năng lượng mặt trời bức xạ hoặc thiếu năng lượng nhiệt do các bộ thu năng lượng mặt trời tạo ra, bật dự phòng 6. Việc lựa chọn và bố trí các bộ phận của hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời trong từng trường hợp cụ thể được xác định bởi các yếu tố khí hậu, mục đích của cơ sở, chế độ tiêu thụ nhiệt và chỉ số kinh tế.

Hình 4 thể hiện sơ đồ hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời cho ngôi nhà tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường.

Hệ thống sử dụng nước làm chất làm mát ở nhiệt độ dương và chất chống đông trong thời gian gia nhiệt (mạch năng lượng mặt trời), nước (mạch thứ hai của hệ thống sưởi dưới sàn) và không khí (mạch thứ ba của sưởi ấm không khí bằng năng lượng mặt trời).

Một nồi hơi điện được sử dụng làm nguồn dự phòng và một cục pin 5 m 3 có gắn đá cuội được sử dụng để tích nhiệt trong một ngày. Một mét khối sỏi tích tụ trung bình 5 MJ nhiệt mỗi ngày.

Hệ thống lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ thấp bao gồm phạm vi nhiệt độ từ 30 đến 100 ◦C và được sử dụng trong hệ thống sưởi ấm không khí (30 ◦ C) và nước (30–90 ◦ C) và nước nóng (45–60 ◦ C).

Theo quy định, hệ thống lưu trữ nhiệt bao gồm một bình chứa, vật liệu tích tụ nhiệt dùng để tích tụ và lưu trữ năng lượng nhiệt, các thiết bị trao đổi nhiệt để cung cấp và loại bỏ nhiệt khi sạc và xả pin và cách nhiệt.

Pin có thể được phân loại theo tính chất của các quá trình vật lý và hóa học xảy ra trong vật liệu lưu trữ nhiệt:

1. pin loại điện dung sử dụng nhiệt dung của vật liệu được làm nóng (sỏi, nước, dung dịch muối, v.v.);
2. pin chuyển pha của một chất, sử dụng nhiệt nóng chảy (hóa rắn) của một chất;
3. bộ tích lũy năng lượng dựa trên sự giải phóng và hấp thụ nhiệt trong các phản ứng hóa học và quang hóa thuận nghịch.

Các bộ tích nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất là loại điện dung.

Lượng nhiệt Q (kJ) có thể tích tụ trong bộ tích nhiệt loại điện dung được xác định theo công thức

Vật liệu lưu trữ nhiệt hiệu quả nhất trong hệ thống sưởi năng lượng mặt trời dạng lỏng là nước. Để tích tụ nhiệt theo mùa, hứa hẹn sẽ sử dụng các hồ chứa ngầm, đất đá và các hình thái tự nhiên khác.

Bộ thu năng lượng mặt trời tập trung là gương hình cầu hoặc gương parabol (Hình 5.), được làm bằng kim loại đánh bóng, tại tiêu điểm đặt một bộ phận nhận nhiệt (nồi hơi năng lượng mặt trời), qua đó chất làm mát lưu thông. Nước hoặc chất lỏng không đóng băng được sử dụng làm chất làm mát. Khi sử dụng nước làm chất làm mát vào ban đêm và trong thời gian lạnh, hệ thống phải được làm trống để tránh bị đóng băng.

Để đảm bảo hiệu quả cao cho quá trình thu và chuyển đổi bức xạ mặt trời, máy thu năng lượng mặt trời tập trung phải liên tục hướng thẳng về phía Mặt trời. Với mục đích này, bộ thu năng lượng mặt trời được trang bị hệ thống theo dõi, bao gồm cảm biến hướng về Mặt trời, bộ chuyển đổi tín hiệu điện tử và động cơ điện có hộp số để quay cấu trúc bộ thu năng lượng mặt trời theo hai mặt phẳng.

Ưu điểm của hệ thống thu năng lượng mặt trời tập trung là khả năng tạo ra nhiệt ở nhiệt độ tương đối cao (lên tới 100 ◦ C) và thậm chí cả hơi nước. Những nhược điểm bao gồm chi phí cao của cấu trúc; sự cần thiết phải liên tục làm sạch bề mặt phản chiếu khỏi bụi; chỉ hoạt động vào ban ngày và do đó cần có pin lớn; chi phí năng lượng lớn để điều khiển hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời, tương xứng với năng lượng được tạo ra. Những nhược điểm này cản trở việc sử dụng rộng rãi các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời ở nhiệt độ thấp đang hoạt động với các bộ thu năng lượng mặt trời tập trung. Gần đây, máy thu năng lượng mặt trời dạng phẳng thường được sử dụng nhiều nhất cho các hệ thống sưởi ấm nhiệt độ thấp bằng năng lượng mặt trời.

Bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng

Bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng là bộ trao đổi nhiệt được thiết kế để làm nóng chất lỏng hoặc khí bằng năng lượng mặt trời. Phạm vi ứng dụng của bộ thu năng lượng mặt trời phẳng là hệ thống sưởi ấm cho các tòa nhà dân dụng và công nghiệp, hệ thống điều hòa không khí, hệ thống cấp nước nóng, cũng như các nhà máy điện có chất lỏng làm việc có nhiệt độ sôi thấp, thường hoạt động theo chu trình Rankine. Bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng (Hình 6 và 7) bao gồm một lớp phủ bằng thủy tinh hoặc nhựa (đơn, đôi, ba), một tấm nhận nhiệt được sơn màu đen ở mặt hướng về phía Mặt trời, lớp cách nhiệt ở phía trên. mặt sau và vỏ (kim loại, nhựa, thủy tinh, gỗ).

Bất kỳ tấm kim loại hoặc nhựa nào có rãnh làm mát đều có thể được sử dụng làm tấm nhận nhiệt. Tấm nhận nhiệt được làm bằng nhôm hoặc thép gồm 2 loại: dạng tấm và dạng tấm dập (ống dạng tấm). Các tấm nhựa do dễ vỡ và nhanh lão hóa dưới tác động của ánh sáng mặt trời cũng như tính dẫn nhiệt thấp nên không được sử dụng rộng rãi. Dưới tác động của bức xạ mặt trời, các tấm nhận nhiệt nóng lên đến nhiệt độ 70–80 ◦ C, vượt quá nhiệt độ môi trường, dẫn đến sự gia tăng truyền nhiệt đối lưu của tấm pin ra môi trường và bức xạ của chính nó ra bầu trời. Để đạt được nhiệt độ chất làm mát cao hơn, bề mặt của tấm được phủ các lớp chọn lọc quang phổ có tác dụng hấp thụ tích cực bức xạ sóng ngắn từ Mặt trời và giảm bức xạ nhiệt của chính nó trong phần sóng dài của quang phổ. Những thiết kế như vậy dựa trên “niken đen”, “crom đen”, oxit đồng trên nhôm, oxit đồng trên đồng và các loại khác rất đắt tiền (giá thành của chúng thường tương đương với giá thành của chính tấm nhận nhiệt). Một cách khác để cải thiện hiệu suất của bộ thu tấm phẳng là tạo chân không giữa tấm nhận nhiệt và lớp cách nhiệt trong suốt để giảm thất thoát nhiệt (bộ thu năng lượng mặt trời thế hệ thứ tư).

Nguyên lý hoạt động của bộ thu dựa trên thực tế là nó cảm nhận được bức xạ mặt trời với hệ số hấp thụ ánh sáng mặt trời nhìn thấy đủ cao và có tổn thất nhiệt tương đối thấp, bao gồm cả do độ truyền qua thấp của lớp phủ kính mờ đối với bức xạ nhiệt ở nhiệt độ vận hành . Rõ ràng là nhiệt độ của chất làm mát thu được được xác định bởi sự cân bằng nhiệt của bộ thu. Phần tới của cân đại diện cho dòng nhiệt của bức xạ mặt trời, có tính đến hiệu suất quang học của bộ thu; phần tiêu thụ được xác định bằng nhiệt lượng hữu ích được trích ra, hệ số tổn thất nhiệt tổng cộng và độ chênh lệch Nhiệt độ hoạt động và môi trường. Sự hoàn hảo của bộ thu được xác định bởi hiệu suất quang học và nhiệt của nó.

Hiệu suất quang học η o cho thấy phần nào của bức xạ mặt trời chạm tới bề mặt của kính thu được hấp thụ bởi bức xạ hấp thụ bề mặt màu đen và có tính đến sự tổn thất năng lượng liên quan đến sự hấp thụ trong kính, sự phản xạ và sự chênh lệch về độ phát xạ nhiệt hệ số bề mặt hấp thụ từ sự thống nhất.

Bộ thu năng lượng mặt trời đơn giản nhất với lớp phủ mờ một lớp kính, lớp cách nhiệt bằng bọt polyurethane của các bề mặt còn lại và bộ hấp thụ được phủ sơn đen có hiệu suất quang học khoảng 85% và hệ số tổn thất nhiệt khoảng 5–6 W/( m 2 K) (Hình 7). Sự kết hợp giữa bề mặt phẳng hấp thụ bức xạ và các ống (kênh) chất làm mát tạo thành một bộ phận cấu trúc duy nhất - bộ phận hấp thụ. Một bộ thu như vậy vào mùa hè ở vĩ độ trung bình có thể làm nóng nước đến 55–60 ◦ C và có năng suất hàng ngày trung bình 70–80 lít nước trên 1 m2 bề mặt lò sưởi.

Để đạt được nhiệt độ cao hơn, người ta sử dụng các bộ thu làm bằng ống chân không có lớp phủ chọn lọc (Hình 8).

Trong bộ thu chân không, thể tích có bề mặt đen hấp thụ bức xạ mặt trời được tách ra khỏi môi trường bằng một không gian chân không (mỗi phần tử của bộ hấp thụ được đặt trong một ngăn riêng biệt). ống thủy tinh, bên trong tạo ra chân không), giúp loại bỏ gần như hoàn toàn sự thất thoát nhiệt ra môi trường do tính dẫn nhiệt và đối lưu. Tổn thất bức xạ phần lớn được giảm thiểu thông qua việc sử dụng lớp phủ chọn lọc. Trong bộ thu chân không, chất làm mát có thể được làm nóng đến 120–150 ◦C. Hiệu suất của bộ thu chân không cao hơn đáng kể so với bộ thu tấm phẳng, nhưng nó cũng đắt hơn nhiều.

Hiệu quả của việc lắp đặt năng lượng mặt trời phần lớn phụ thuộc vào tính chất quang học của bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời. Để giảm thiểu tổn thất năng lượng, điều cần thiết là ở vùng khả kiến ​​và vùng cận hồng ngoại của quang phổ mặt trời, hệ số hấp thụ của bề mặt này phải càng gần bằng 1 càng tốt, và trong vùng bước sóng của bức xạ nhiệt của chính bề mặt, hệ số hấp thụ của bề mặt này phải càng gần bằng 1 càng tốt. hệ số phản xạ nên có xu hướng thống nhất. Như vậy, bề mặt phải có tính chất chọn lọc - hấp thụ tốt bức xạ sóng ngắn và phản xạ tốt bức xạ sóng dài.

Dựa trên loại cơ chế chịu trách nhiệm về tính chọn lọc của các tính chất quang học, bốn nhóm lớp phủ chọn lọc được phân biệt:

1. sở hữu;
2. hai lớp, trong đó lớp trên có hệ số hấp thụ cao ở vùng khả kiến ​​của quang phổ và một lớp nhỏ ở vùng hồng ngoại, lớp dưới có hệ số phản xạ cao ở vùng hồng ngoại;
3. với microrelief mang lại hiệu quả cần thiết;
4. sự can thiệp

Một số ít vật liệu đã biết, ví dụ W, Cu 2 S, HfC, có tính chất quang học chọn lọc riêng.

Lớp phủ chọn lọc hai lớp được sử dụng rộng rãi nhất. Một lớp có độ phản xạ cao ở vùng sóng dài của quang phổ, ví dụ như đồng, niken, molypden, bạc, nhôm, được phủ lên bề mặt cần có các đặc tính chọn lọc. Trên cùng của lớp này được áp dụng một lớp trong suốt ở vùng sóng dài, nhưng có hệ số hấp thụ cao ở vùng khả kiến ​​và cận hồng ngoại của quang phổ. Nhiều oxit có tính chất như vậy.

Độ chọn lọc bề mặt có thể được đảm bảo do các yếu tố hình học thuần túy: độ không đồng đều của bề mặt phải lớn hơn bước sóng ánh sáng trong vùng khả kiến ​​và vùng cận hồng ngoại của quang phổ và nhỏ hơn bước sóng tương ứng với bức xạ nhiệt của chính bề mặt. Bề mặt như vậy sẽ có màu đen đối với vùng quang phổ đầu tiên và giống như gương đối với vùng quang phổ thứ hai.

Các bề mặt có cấu trúc đuôi gai hoặc xốp với kích thước thích hợp của các hình kim hoặc lỗ chân lông đuôi gai có đặc tính chọn lọc.

Các bề mặt chọn lọc giao thoa được hình thành bởi một số lớp kim loại và điện môi xen kẽ, trong đó bức xạ sóng ngắn bị triệt tiêu do nhiễu và bức xạ sóng dài bị phản xạ tự do.

Quy mô sử dụng hệ thống sưởi năng lượng mặt trời

Theo IEA, đến cuối năm 2001, tổng diện tích lắp đặt các thiết bị thu gom ở 26 quốc gia tích cực nhất trong lĩnh vực này là khoảng 100 triệu m 2, trong đó 27,7 triệu m 2 là thiết bị thu gom không tráng men, chủ yếu dùng để đun nước nóng. trong các bể bơi. Phần còn lại - bộ thu gom bằng kính phẳng và bộ thu gom có ​​ống sơ tán - được sử dụng trong hệ thống cấp nước nóng hoặc để sưởi ấm không gian. Xét về diện tích lắp đặt bộ thu gom trên 1000 dân, dẫn đầu là Israel (608 m2), Hy Lạp (298) và Áo (220). Tiếp theo là Thổ Nhĩ Kỳ, Nhật Bản, Úc, Đan Mạch và Đức với diện tích lắp đặt cụ thể là 118–45 m2/1000 dân.

Tổng diện tích các bộ thu năng lượng mặt trời được lắp đặt vào cuối năm 2004 ở các nước EU đạt 13,96 triệu m2 và trên thế giới đã vượt quá 150 triệu m2. Mức tăng hàng năm về diện tích thu gom năng lượng mặt trời ở châu Âu trung bình là 12%, và ở một số quốc gia, con số này ở mức 28–30% trở lên. Dẫn đầu thế giới về số lượng bộ thu năng lượng mặt trời trên một nghìn dân là Síp, nơi 90% ngôi nhà được trang bị lắp đặt năng lượng mặt trời (có 615,7 m 2 bộ thu năng lượng mặt trời trên một nghìn dân), tiếp theo là Israel, Hy Lạp và Áo. Người dẫn đầu tuyệt đối trong lĩnh vực thu gom được lắp đặt ở Châu Âu là Đức - 47%, tiếp theo là Hy Lạp - 14%, Áo - 12%, Tây Ban Nha - 6%, Ý - 4%, Pháp - 3%. Các nước châu Âu - những nhà lãnh đạo không thể tranh cãi trong việc phát triển các công nghệ mới cho hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, nhưng lại kém xa Trung Quốc về số lượng vận hành lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời mới.

Trong tổng diện tích lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trời trên thế giới năm 2004, 78% được lắp đặt ở Trung Quốc. Thị trường IED ở Trung Quốc gần đây đã tăng trưởng với tốc độ 28% mỗi năm.

Năm 2007, tổng diện tích lắp đặt các tấm thu năng lượng mặt trời trên thế giới là 200 triệu m2, trong đó ở châu Âu là hơn 20 triệu m2.

Ngày nay, trên thị trường thế giới, giá của một IED (Hình 9), bao gồm bộ thu có diện tích 5–6 m2, bình ắc quy có dung tích khoảng 300 lít và các phụ kiện cần thiết, là 300 USD– 400 US trên 1 m2 của người thu gom. Các hệ thống như vậy chủ yếu được lắp đặt trong các ngôi nhà riêng lẻ dành cho một và hai gia đình và có máy sưởi dự phòng (điện hoặc gas). Khi lắp đặt bể chứa phía trên bộ thu gom, hệ thống có thể hoạt động theo nguyên lý tuần hoàn tự nhiên (nguyên lý thermosyphon); khi lắp đặt bể chứa ở tầng hầm - bắt buộc.

Trong thực tế thế giới, hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời nhỏ là phổ biến nhất. Theo quy định, các hệ thống như vậy bao gồm các bộ thu năng lượng mặt trời với tổng diện tích 2–8 m2, một bể chứa, dung tích được xác định bởi diện tích của các bộ thu được lắp đặt, một bơm tuần hoàn (tùy thuộc vào loại mạch nhiệt) và các thiết bị phụ trợ khác.

Các hệ thống hoạt động lớn, trong đó bể chứa được đặt bên dưới bộ thu và chất làm mát được tuần hoàn bằng máy bơm, được sử dụng cho nhu cầu cung cấp nước nóng và sưởi ấm. Theo quy định, trong các hệ thống hoạt động liên quan đến việc đáp ứng một phần tải sưởi ấm, một nguồn nhiệt dự phòng chạy bằng điện hoặc khí đốt sẽ được cung cấp.

Một hiện tượng tương đối mới trong thực tế sử dụng hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời là các hệ thống lớn có thể đáp ứng nhu cầu cung cấp nước nóng và sưởi ấm cho các tòa nhà chung cư hoặc toàn bộ khu dân cư. Những hệ thống như vậy cung cấp sự tích tụ nhiệt hàng ngày hoặc theo mùa. Tích lũy hàng ngày giả định khả năng hoạt động của hệ thống với mức tiêu thụ nhiệt tích lũy trong vài ngày, theo mùa - trong vài tháng. Để tích tụ nhiệt theo mùa, người ta sử dụng các hồ chứa lớn chứa đầy nước dưới lòng đất, nơi tất cả nhiệt dư thừa nhận được từ các bộ thu nhiệt trong mùa hè sẽ được thải ra ngoài. Một lựa chọn khác để tích tụ theo mùa là làm nóng đất bằng cách sử dụng giếng có đường ống để nước nóng từ các bộ thu lưu thông qua đó.

Bảng 1 cho thấy các thông số chính của hệ thống năng lượng mặt trời lớn có khả năng lưu trữ nhiệt hàng ngày và theo mùa so với hệ thống năng lượng mặt trời nhỏ dành cho một gia đình.

Bảng 1. - Các thông số chính của hệ thống sưởi năng lượng mặt trời

Hiện tại ở châu Âu có 10 hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời với diện tích thu gom từ 2400 đến 8040 m2, 22 hệ thống có diện tích thu gom từ 1000 đến 1250 m2 và 25 hệ thống có diện tích thu gom từ 500 đến 1000 m2. Dưới đây là thông số kỹ thuật cho một số hệ thống lớn hơn.

Hamburg, Đức). Diện tích của cơ sở được sưởi ấm là 14800 m2. Diện tích thu năng lượng mặt trời là 3000 m2. Thể tích của bộ tích nhiệt nước là 4500 m3.

Fridrichshafen (Đức). Diện tích mặt bằng có hệ thống sưởi là 33.000 m2. Diện tích thu năng lượng mặt trời là 4050 m2. Thể tích của bộ tích nhiệt nước là 12000 m3.

Ulm-am-Neckar (Đức). Diện tích mặt bằng có hệ thống sưởi là 25.000 m2. Diện tích thu năng lượng mặt trời là 5300 m2. Thể tích của bộ tích nhiệt mặt đất là 63400 m3.

Rostock (Đức). Diện tích của cơ sở được sưởi ấm là 7000 m2. Diện tích thu năng lượng mặt trời là 1000 m2. Thể tích của bộ tích nhiệt mặt đất là 20.000 m3.

Hemnitz (Đức). Diện tích mặt bằng có hệ thống sưởi là 4680 m2. Diện tích của bộ thu năng lượng mặt trời chân không là 540 m2. Thể tích của bộ tích nhiệt nước-sỏi là 8000 m3.

Attenkirchen (Đức). Diện tích của cơ sở được sưởi ấm là 4500 m2. Diện tích của bộ thu năng lượng mặt trời chân không là 800 m2. Thể tích của bộ tích nhiệt mặt đất là 9850 m3.

Saro (Thụy Điển). Hệ thống gồm 10 căn nhà nhỏ, trong đó có 48 căn hộ. Diện tích thu năng lượng mặt trời là 740 m2. Thể tích của bộ tích nhiệt nước là 640 m3. Hệ thống năng lượng mặt trời chiếm 35% tổng tải nhiệt của hệ thống sưởi ấm.

Hiện nay ở Nga có một số công ty sản xuất bộ thu năng lượng mặt trời phù hợp để vận hành đáng tin cậy. Những cái chính là Nhà máy cơ khí Kovrov, NPO Mashinostroenie và ZAO ALTEN.

Các nhà thu gom của Nhà máy Cơ khí Kovrov (Hình 10), không có lớp phủ chọn lọc, giá rẻ và thiết kế đơn giản, chủ yếu nhắm vào thị trường nội địa. Hơn 1.500 bộ thu gom loại này hiện đang được lắp đặt tại Lãnh thổ Krasnodar.

Đặc điểm của nhà sưu tập NPO Mashinostroyenia gần với tiêu chuẩn Châu Âu. Bộ hấp thụ thu được làm bằng hợp kim nhôm với lớp phủ chọn lọc và được thiết kế chủ yếu để hoạt động trong mạch gia nhiệt mạch kép, vì sự tiếp xúc trực tiếp của nước với hợp kim nhôm có thể dẫn đến ăn mòn rỗ các kênh mà chất làm mát đi qua.

Bộ sưu tập ALTEN-1 hoàn toàn có thiết kế mới và đáp ứng các tiêu chuẩn Châu Âu, nó có thể được sử dụng trong cả sơ đồ cung cấp nhiệt mạch đơn và mạch kép. Người thu gom có ​​giá trị cao đặc tính nhiệt, một loạt các ứng dụng có thể, trọng lượng nhẹ và thiết kế hấp dẫn.

Kinh nghiệm vận hành hệ thống lắp đặt dựa trên bộ thu năng lượng mặt trời đã bộc lộ một số nhược điểm của các hệ thống như vậy. Trước hết, đây là chi phí cao của bộ thu gom liên quan đến lớp phủ chọn lọc, làm tăng độ trong suốt của kính, hút bụi, v.v. Một nhược điểm đáng kể là cần phải thường xuyên làm sạch kính khỏi bụi, điều này thực tế loại trừ việc sử dụng bộ thu trong công nghiệp. khu vực. Trong quá trình hoạt động lâu dài của các bộ thu năng lượng mặt trời, đặc biệt là trong điều kiện mùa đông, chúng thường xuyên bị hỏng do sự giãn nở không đều của các vùng được chiếu sáng và tối của kính do vi phạm tính toàn vẹn của kính. Ngoài ra còn có một tỷ lệ lớn các bộ thu gom bị hỏng trong quá trình vận chuyển và lắp đặt. Một nhược điểm đáng kể của hệ điều hành có bộ thu gom là tải không đều trong suốt cả năm và ngày. Kinh nghiệm vận hành các nhà thu gom ở Châu Âu và khu vực Châu Âu của Nga có tỷ lệ bức xạ khuếch tán cao (lên tới 50%) cho thấy không thể tạo ra quanh năm hệ thống tự trị cung cấp nước nóng và sưởi ấm. Tất cả các hệ thống năng lượng mặt trời có bộ thu năng lượng mặt trời ở vĩ độ trung bình đều yêu cầu lắp đặt các bể chứa dung tích lớn và đưa nguồn năng lượng bổ sung vào hệ thống, điều này làm giảm hiệu quả kinh tế của việc sử dụng chúng. Về vấn đề này, tốt nhất nên sử dụng chúng ở những khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao (không thấp hơn 300 W/m2).

Sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời

Trong khu dân cư và tòa nhà hành chính Năng lượng mặt trời chủ yếu được sử dụng dưới dạng nhiệt nhằm đáp ứng nhu cầu cung cấp nước nóng, sưởi ấm, làm mát, thông gió, sấy khô…

Từ quan điểm kinh tế, việc sử dụng nhiệt mặt trời có lợi nhất khi tạo ra hệ thống cấp nước nóng và lắp đặt hệ thống sưởi nước tương tự về mặt kỹ thuật (trong bể bơi, thiết bị công nghiệp). Việc cung cấp nước nóng là cần thiết trong mọi tòa nhà dân cư và do nhu cầu về nước nóng thay đổi tương đối ít trong năm nên hiệu quả của việc lắp đặt như vậy rất cao và họ nhanh chóng tự chi trả.

Đối với hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời, thời gian sử dụng trong năm ngắn, trong thời gian sưởi ấm, cường độ bức xạ mặt trời thấp và do đó, diện tích thu gom lớn hơn nhiều so với hệ thống cấp nước nóng và hiệu quả kinh tế cao hơn. thấp hơn. Thông thường, khi thiết kế sẽ kết hợp hệ thống cấp nước nóng và sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời.

Trong các hệ thống làm mát bằng năng lượng mặt trời, thời gian vận hành thậm chí còn ngắn hơn (ba tháng mùa hè), dẫn đến thời gian ngừng hoạt động của thiết bị kéo dài và tỷ lệ sử dụng rất thấp. Do chi phí thiết bị làm mát cao, hiệu quả kinh tế của hệ thống trở nên tối thiểu.

Tỷ lệ sử dụng thiết bị hàng năm trong các hệ thống cung cấp nhiệt và lạnh kết hợp (cung cấp nước nóng, sưởi ấm và làm mát) là cao nhất và các hệ thống này thoạt nhìn có lợi hơn so với hệ thống cấp nước nóng và sưởi ấm kết hợp. Tuy nhiên, nếu chúng ta tính đến chi phí của các bộ thu năng lượng mặt trời và cơ chế hệ thống làm mát cần thiết, thì hóa ra việc lắp đặt năng lượng mặt trời như vậy sẽ rất tốn kém và khó có thể mang lại lợi nhuận kinh tế.

Khi tạo ra hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, nên sử dụng các sơ đồ thụ động để tăng khả năng cách nhiệt của tòa nhà và sử dụng hiệu quả bức xạ mặt trời đi vào qua các khe hở của cửa sổ. Vấn đề cách nhiệt phải được giải quyết trên cơ sở các yếu tố kiến ​​trúc và kết cấu, sử dụng vật liệu và kết cấu dẫn nhiệt thấp. Nên bổ sung lượng nhiệt còn thiếu bằng hệ thống năng lượng mặt trời đang hoạt động.

Đặc điểm kinh tế của bộ thu năng lượng mặt trời

Vấn đề chính của việc sử dụng rộng rãi hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời là do chúng thiếu hiệu quả kinh tế so với các hệ thống cung cấp nhiệt truyền thống. Chi phí năng lượng nhiệt khi lắp đặt bằng bộ thu năng lượng mặt trời cao hơn so với lắp đặt bằng nhiên liệu truyền thống. Thời gian hoàn vốn của hệ thống lắp đặt nhiệt mặt trời T ca có thể được xác định theo công thức:

Hiệu quả kinh tế của việc lắp đặt các bộ thu năng lượng mặt trời ở các khu vực cung cấp năng lượng tập trung E có thể được định nghĩa là thu nhập từ việc bán năng lượng trong toàn bộ thời gian sử dụng của hệ thống lắp đặt trừ đi chi phí vận hành:

Bảng 2 cho thấy chi phí của hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời (theo giá năm 1995). Dữ liệu cho thấy các dự án phát triển trong nước rẻ hơn 2,5–3 lần so với dự án nước ngoài.

Giá thấp của hệ thống trong nước được giải thích là do chúng được làm bằng vật liệu rẻ tiền, thiết kế đơn giản và hướng đến thị trường nội địa.

Bảng 2. - Giá thành hệ thống sưởi năng lượng mặt trời

Hiệu quả kinh tế cụ thể (E/S) trong vùng cung cấp nhiệt tập trung, tùy thuộc vào tuổi thọ của bộ thu nhiệt, dao động từ 200 đến 800 rúp/m2.

Việc lắp đặt hệ thống cung cấp nhiệt bằng bộ thu năng lượng mặt trời mang lại hiệu quả kinh tế lớn hơn nhiều ở những khu vực xa mạng lưới năng lượng tập trung, nơi ở Nga chiếm hơn 70% lãnh thổ với dân số khoảng 22 triệu người. Những hệ thống lắp đặt này được thiết kế để hoạt động tự chủ cho người tiêu dùng cá nhân, nơi có nhu cầu về năng lượng nhiệt rất lớn. Đồng thời, chi phí nhiên liệu truyền thống cao hơn nhiều so với chi phí nhiên liệu tại các khu vực cung cấp sưởi ấm của quận do chi phí vận chuyển và thất thoát nhiên liệu trong quá trình vận chuyển, tức là chi phí nhiên liệu ở khu vực Quận Trung tâm bao gồm yếu tố khu vực r r:

trong đó r р > 1 và có thể thay đổi giá trị của nó cho các vùng khác nhau. Đồng thời, đơn giá lắp đặt C gần như không thay đổi so với Ctr. Vì vậy, khi thay C t bằng C tr trong các công thức

Thời gian hoàn vốn được tính toán cho việc lắp đặt tự động ở các khu vực cách xa mạng tập trung giảm đi r lần và hiệu quả kinh tế tăng tỷ lệ với r.

Trong điều kiện ngày nay ở Nga, khi giá năng lượng không ngừng tăng và không đồng đều giữa các vùng do điều kiện giao thông, quyết định về tính khả thi kinh tế của việc sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều vào điều kiện kinh tế xã hội, địa lý và khí hậu địa phương.

Hệ thống sưởi ấm địa nhiệt mặt trời

Từ quan điểm cung cấp năng lượng liên tục cho người tiêu dùng, hiệu quả nhất là các hệ thống công nghệ kết hợp sử dụng hai hoặc nhiều loại nguồn năng lượng tái tạo.

Nhờ nguồn nhiệt năng từ mặt trời nên có thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu nước nóng trong nhà vào mùa hè. Trong thời kỳ thu xuân, có thể lấy tới 30% năng lượng cần thiết để sưởi ấm và tới 60% nhu cầu cung cấp nước nóng từ Mặt trời.

Trong những năm gần đây, hệ thống cung cấp nhiệt địa nhiệt dựa trên bơm nhiệt đã tích cực phát triển. Trong các hệ thống như vậy, như đã lưu ý ở trên, nước nhiệt hoặc năng lượng nhiệt điện thế thấp (20–40 ◦ C) từ các lớp trên được sử dụng làm nguồn nhiệt chính vỏ trái đất. Khi sử dụng nhiệt mặt đất, các bộ trao đổi nhiệt mặt đất được sử dụng, đặt trong các giếng thẳng đứng sâu 100–300 m hoặc nằm ngang ở một độ sâu nào đó.

Để cung cấp nhiệt và nước nóng một cách hiệu quả cho những người tiêu dùng năng lượng thấp phi tập trung, IPG DSC RAS ​​​​đã phát triển một hệ thống địa nhiệt mặt trời kết hợp (Hình 11).

Hệ thống như vậy bao gồm bộ thu năng lượng mặt trời 1, bộ trao đổi nhiệt 2, bể chứa 3, bơm nhiệt 7 và bộ trao đổi nhiệt giếng 8. Chất làm mát (chất chống đông) lưu thông qua bộ thu năng lượng mặt trời. Chất làm mát được làm nóng trong bộ thu năng lượng mặt trời bằng năng lượng của Mặt trời rồi giải phóng năng lượng nhiệt vào nước thông qua bộ trao đổi nhiệt 2, được tích hợp vào bể chứa 3. Bể chứa chứa nước nóng cho đến khi sử dụng nên phải hoạt động tốt. vật liệu cách nhiệt. Trong mạch sơ cấp, nơi đặt bộ thu năng lượng mặt trời, có thể sử dụng tuần hoàn chất làm mát tự nhiên hoặc cưỡng bức. Một máy sưởi điện 6 cũng được tích hợp trong bể chứa, nếu nhiệt độ trong bể chứa giảm xuống dưới nhiệt độ cài đặt (thời tiết nhiều mây kéo dài hoặc vài giờ nắng vào mùa đông), máy sưởi điện sẽ tự động bật và làm nóng nước đến mức quy định. nhiệt độ.

Bộ thu năng lượng mặt trời được vận hành quanh năm và cung cấp nước nóng cho người tiêu dùng, đồng thời bộ sưởi dưới sàn nhiệt độ thấp với bơm nhiệt (HP) và giếng trao đổi nhiệt sâu 100–200 m chỉ được đưa vào hoạt động trong quá trình sưởi ấm mùa.

Trong chu trình HP, nước lạnh có nhiệt độ 5 ◦ C đi xuống hình khuyên của giếng trao đổi nhiệt và loại bỏ nhiệt độ thấp khỏi đá xung quanh. Tiếp theo, nước, tùy thuộc vào độ sâu của giếng, được đun nóng đến nhiệt độ 10–15 ◦ C và dâng lên bề mặt qua cột trung tâm của đường ống. Để ngăn dòng nhiệt ngược lại, cột trung tâm được cách nhiệt từ bên ngoài. Ở bề mặt, nước từ giếng đi vào thiết bị bay hơi HP, nơi chất làm việc có nhiệt độ sôi thấp được làm nóng và bay hơi. Sau thiết bị bay hơi, nước nguội lại được đưa vào giếng. Trong thời gian gia nhiệt, với sự lưu thông liên tục của nước trong giếng, đá xung quanh giếng nguội dần.

Các nghiên cứu tính toán cho thấy bán kính của mặt trước làm mát trong thời gian sưởi ấm có thể đạt tới 5–7 m. Trong thời gian giữa các lần sưởi ấm, khi tắt hệ thống sưởi, trường nhiệt độ xung quanh sẽ được phục hồi một phần (lên đến 70%). giếng xảy ra do dòng nhiệt từ đá bên ngoài vùng làm mát; Không thể khôi phục hoàn toàn trường nhiệt độ xung quanh giếng trong thời gian ngừng hoạt động.

Bộ thu năng lượng mặt trời được lắp đặt dựa trên thời gian hoạt động vào mùa đông của hệ thống, khi ánh sáng mặt trời ở mức tối thiểu. Vào mùa hè, một phần nước nóng từ bể chứa được đưa đến giếng để khôi phục hoàn toàn nhiệt độ trong đá xung quanh giếng.

Trong thời gian gia nhiệt liên tục, các van 13 và 14 đóng lại và khi van 15 và 16 mở, nước nóng từ bể tích lũy được bơm tuần hoàn bơm vào hình khuyên của giếng, nơi khi nó đi xuống, trao đổi nhiệt với đá bao quanh giếng. Tiếp theo, nước làm mát được đưa trở lại bể chứa thông qua cột cách nhiệt ở giữa. Ngược lại, trong mùa nóng, van 13 và 14 mở, van 15 và 16 đóng.

Trong hệ thống công nghệ đề xuất, tiềm năng năng lượng mặt trời được sử dụng để làm nóng nước trong hệ thống cấp nước nóng và đá xung quanh giếng trong hệ thống sưởi ấm nhiệt độ thấp. Thu hồi nhiệt trong đá cho phép hệ thống cung cấp nhiệt được vận hành ở chế độ tối ưu về mặt kinh tế.

Nhà máy nhiệt điện mặt trời

Mặt trời là nguồn năng lượng quan trọng trên hành tinh Trái đất. Năng lượng mặt trời thường xuyên trở thành chủ đề của nhiều cuộc thảo luận. Ngay khi một dự án nhà máy điện mặt trời mới xuất hiện, các câu hỏi đặt ra về hiệu quả, công suất, khối lượng vốn đầu tư và thời gian hoàn vốn.

Có nhà khoa học coi các nhà máy nhiệt điện mặt trời là mối đe dọa đối với môi trường. Những tấm gương dùng trong các nhà máy nhiệt điện mặt trời làm nóng không khí rất nhiều, dẫn đến biến đổi khí hậu và cái chết của những loài chim bay ngang qua. Mặc dù vậy, các nhà máy nhiệt điện mặt trời ngày càng trở nên phổ biến trong những năm gần đây. Năm 1984, nhà máy điện mặt trời đầu tiên đi vào hoạt động gần thành phố Cramer Junction của California trên sa mạc Mojabe (Hình 6.1). Trạm này được gọi là Hệ thống tạo năng lượng mặt trời, hay viết tắt là SEGS.

Cơm. 6.1. Nhà máy điện mặt trời ở sa mạc Mojabe

Tại nhà máy điện này, bức xạ mặt trời được sử dụng để tạo ra hơi nước làm quay tuabin và tạo ra điện. Sản xuất nhiệt điện mặt trời trên quy mô lớn khá cạnh tranh. Hiện các công ty năng lượng của Mỹ đã xây dựng các nhà máy nhiệt điện mặt trời với tổng công suất lắp đặt hơn 400 MW, cung cấp điện cho 350.000 người và thay thế 2,3 triệu thùng dầu mỗi năm. Chín nhà máy điện nằm ở sa mạc Mojabe có công suất 354 MW công suất lắp đặt. Các dự án sử dụng nhiệt mặt trời để tạo ra điện cũng sẽ sớm được triển khai ở các khu vực khác trên thế giới. Ấn Độ, Ai Cập, Maroc và Mexico đang phát triển các chương trình tương ứng. Các khoản tài trợ cho hoạt động này được cung cấp bởi Quỹ Môi trường Toàn cầu (GEF). Tại Hy Lạp, Tây Ban Nha và Mỹ, các dự án mới đang được phát triển bởi các nhà sản xuất điện độc lập.

Dựa vào phương pháp sản xuất nhiệt, nhà máy nhiệt điện mặt trời được chia thành thiết bị tập trung năng lượng mặt trời (gương) và bể năng lượng mặt trời.

Bộ tập trung năng lượng mặt trời

Các nhà máy nhiệt điện mặt trời tập trung năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng thấu kính và gương phản xạ. Vì lượng nhiệt này có thể được lưu trữ nên những nhà máy như vậy có thể tạo ra điện khi cần thiết, cả ngày lẫn đêm, trong bất kỳ thời tiết nào. Những tấm gương lớn—tiêu điểm điểm hoặc đường thẳng—tập trung tia nắng mặt trời đến mức nước biến thành hơi nước, giải phóng đủ năng lượng để quay tuabin. Các hệ thống này có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng với hiệu suất khoảng 15%. Tất cả các nhà máy nhiệt điện, ngoại trừ ao năng lượng mặt trời, đều sử dụng bộ tập trung để đạt được nhiệt độ cao, phản chiếu ánh sáng Mặt trời từ bề mặt lớn hơn đến bề mặt nhỏ hơn của máy thu. Thông thường, hệ thống như vậy bao gồm bộ tập trung, bộ thu, chất làm mát, hệ thống lưu trữ và hệ thống truyền năng lượng. Các công nghệ hiện đại bao gồm bộ tập trung parabol, gương parabol mặt trời và tháp năng lượng mặt trời. Chúng có thể được kết hợp với các nhà máy đốt nhiên liệu hóa thạch và trong một số trường hợp, được điều chỉnh để lưu trữ nhiệt. Ưu điểm chính của việc lai hóa và lưu trữ nhiệt như vậy là công nghệ như vậy có thể cung cấp khả năng sản xuất điện có thể điều động được, nghĩa là điện có thể được tạo ra vào những thời điểm cần thiết. Lai tạo và lưu trữ nhiệt có thể làm tăng giá trị kinh tế của điện năng được sản xuất và giảm chi phí trung bình.

Lắp đặt năng lượng mặt trời với bộ tập trung parabol

Một số nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng gương parabol để tập trung ánh sáng mặt trời vào các ống tiếp nhận chứa chất lỏng làm mát. Chất lỏng này được làm nóng đến gần 400°C và được bơm qua một loạt bộ trao đổi nhiệt; điều này tạo ra hơi nước quá nhiệt làm quay máy phát điện tua-bin thông thường để sản xuất điện. Để giảm sự thất thoát nhiệt, ống thu có thể được bao quanh bởi một ống thủy tinh trong suốt đặt dọc theo tiêu điểm của hình trụ. Thông thường, các hệ thống lắp đặt như vậy bao gồm hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời trục đơn hoặc trục kép. Trong một số trường hợp hiếm hoi, chúng đứng yên (Hình 6.2).

Cơm. 6.2. Lắp đặt năng lượng mặt trời với bộ tập trung parabol

Ước tính của công nghệ này cho thấy chi phí điện năng tạo ra cao hơn so với các nhà máy nhiệt điện mặt trời khác. Điều này là do nồng độ bức xạ mặt trời thấp và nhiệt độ thấp hơn. Tuy nhiên, với kinh nghiệm vận hành ngày càng tăng, công nghệ cải tiến và chi phí vận hành giảm, các bộ tập trung parabol có thể rẻ nhất và đắt nhất. công nghệ đáng tin cậy tương lai gần.

Nhà máy điện mặt trời kiểu đĩa

Hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời dạng đĩa là pin của gương đĩa parabol có hình dạng tương tự đĩa vệ tinh, tập trung năng lượng mặt trời vào các máy thu đặt tại tiêu điểm của mỗi đĩa (Hình 6.3). Chất lỏng trong máy thu được làm nóng đến 1000°C và được sử dụng trực tiếp để sản xuất điện trong một động cơ nhỏ và máy phát điện được kết nối với máy thu.

Cơm. 6.3. Lắp đặt năng lượng mặt trời kiểu đĩa

Hiệu suất quang học cao và chi phí ban đầu thấp làm cho hệ thống gương/động cơ trở thành công nghệ năng lượng mặt trời hiệu quả nhất. Hệ thống động cơ Stirling và gương parabol giữ kỷ lục thế giới về hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Năm 1984, Rancho Mirage, California đạt hiệu suất thực tế là 29%. Nhờ thiết kế mô-đun, các hệ thống như vậy lựa chọn tốt nhấtđể đáp ứng nhu cầu điện cho cả người tiêu dùng tự trị và người tiêu dùng kết hợp hoạt động trên mạng chung.

Nhà máy điện mặt trời dạng tháp

Các nhà máy điện mặt trời dạng tháp có bộ thu trung tâm Các nhà máy điện kiểu tháp năng lượng mặt trời có bộ thu trung tâm sử dụng trường quay của các gương phản xạ định nhật. Họ tập trung ánh sáng mặt trời vào một máy thu trung tâm được xây dựng trên đỉnh tháp, nơi hấp thụ năng lượng nhiệt và điều khiển máy phát điện tua-bin (Hình 6.4, Hình 6.5).

Cơm. 6.4. Loại tháp nhà máy điện mặt trời có bộ thu trung tâm

Hệ thống theo dõi hai trục được điều khiển bằng máy tính định vị các kính định nhật sao cho các tia phản xạ của mặt trời đứng yên và luôn rơi vào máy thu. Chất lỏng tuần hoàn trong bộ thu truyền nhiệt đến bộ tích nhiệt dưới dạng hơi nước. Hơi nước làm quay tuabin để tạo ra điện hoặc được sử dụng trực tiếp trong các quy trình công nghiệp. Nhiệt độ máy thu dao động từ 500 đến 1500 oC. Nhờ lưu trữ nhiệt, các nhà máy điện tháp đã trở thành công nghệ năng lượng mặt trời độc đáo cho phép sản xuất điện theo lịch trình định trước.

Cơm. 6.5. Nhà máy điện tháp năng lượng mặt trời "Solar Two" ở California

Ao đầy nắng

Cả gương hội tụ và tế bào quang điện mặt trời đều không thể tạo ra năng lượng vào ban đêm. Để làm được điều này, năng lượng mặt trời tích lũy trong ngày phải được tích trữ trong các bể chứa nhiệt. Quá trình này xảy ra tự nhiên trong cái gọi là ao năng lượng mặt trời (Hình 6.6).

Cơm. 6.6. Sơ đồ thiết kế ao năng lượng mặt trời
1. Nồng độ muối cao. 2. Lớp giữa. 3. Nồng độ muối thấp. 4. Nước lạnh"trong" và nước nóng "từ"

Ao năng lượng mặt trời có nồng độ muối cao ở các lớp nước đáy, lớp nước giữa không đối lưu trong đó nồng độ muối tăng theo độ sâu và lớp đối lưu có nồng độ muối thấp ở bề mặt. Ánh sáng mặt trời chiếu xuống mặt ao và nhiệt được giữ lại ở các lớp nước phía dưới do nồng độ muối cao. Nước có độ mặn cao, được làm nóng bằng năng lượng mặt trời do đáy ao hấp thụ, không thể dâng lên do mật độ cao. Nó vẫn ở dưới đáy ao, nóng dần lên cho đến khi gần sôi. "Nước muối" đáy nóng được sử dụng cả ngày lẫn đêm làm nguồn nhiệt, nhờ đó tuabin làm mát hữu cơ đặc biệt có thể tạo ra điện. Lớp giữa của ao năng lượng mặt trời có tác dụng cách nhiệt, ngăn chặn sự đối lưu và thất thoát nhiệt từ đáy lên bề mặt. Chênh lệch nhiệt độ giữa đáy và mặt nước ao đủ để cung cấp năng lượng cho máy phát điện. Chất làm mát được đưa qua các đường ống xuyên qua lớp nước phía dưới, sau đó được đưa vào hệ thống Rankine khép kín, trong đó tuabin quay để sản xuất điện.

Ưu nhược điểm của nhà máy nhiệt điện mặt trời

Nhà máy điện mặt trời dạng tháp có bộ thu trung tâm và nhà máy điện mặt trời có bộ tập trung parabol hoạt động tối ưu như một phần của nhà máy điện lớn nối lưới có công suất 30-200 MW, trong khi nhà máy điện mặt trời dạng tấm bao gồm các mô-đun và có thể được sử dụng cả trong các hệ thống lắp đặt độc lập và trong các nhóm chung có công suất vài megawatt.

Bảng 6.1 Đặc điểm nhà máy nhiệt điện mặt trời

Bộ tập trung parabol mặt trời là công nghệ năng lượng mặt trời tiên tiến nhất hiện nay và có khả năng sẽ được sử dụng trong tương lai gần. Các nhà máy điện kiểu tháp có bộ thu trung tâm, nhờ khả năng lưu trữ nhiệt hiệu quả, cũng có thể trở thành nhà máy điện mặt trời trong tương lai gần. Bản chất mô-đun của các thiết bị dạng khay cho phép chúng được sử dụng trong các cơ sở lắp đặt nhỏ. Các nhà máy điện mặt trời kiểu tháp có bộ thu trung tâm và lắp đặt kiểu đĩa giúp có thể đạt được giá trị hiệu suất cao hơn trong việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện với chi phí thấp hơn so với các nhà máy điện có bộ tập trung parabol mặt trời. Trong bảng Bảng 6.1 trình bày các đặc điểm chính của ba phương án phát điện nhiệt điện mặt trời.