Việc sử dụng năng lượng “xanh” được cung cấp bởi các yếu tố tự nhiên có thể làm giảm đáng kể chi phí tiện ích. Ví dụ: bằng cách bố trí hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời cho một ngôi nhà riêng, bạn sẽ được cung cấp chất làm mát hầu như miễn phí bộ tản nhiệt nhiệt độ thấp và hệ thống sưởi ấm dưới sàn. Đồng ý, điều này đã tiết kiệm được tiền.

Bạn sẽ tìm hiểu mọi thứ về “công nghệ xanh” từ bài viết được đề xuất của chúng tôi. Với sự giúp đỡ của chúng tôi, bạn có thể dễ dàng hiểu được các loại lắp đặt năng lượng mặt trời, phương pháp xây dựng của chúng và các chi tiết hoạt động cụ thể. Bạn có thể sẽ quan tâm đến một trong những lựa chọn phổ biến đang hoạt động tích cực trên thế giới, nhưng chưa có nhu cầu lớn ở đây.

Trong bài đánh giá được trình bày để bạn chú ý, chúng tôi đã phân tích tính năng thiết kế hệ thống, sơ đồ kết nối được mô tả chi tiết. Một ví dụ về tính toán mạch sưởi bằng năng lượng mặt trời được đưa ra để đánh giá tính thực tế của việc xây dựng nó. Giúp đỡ thợ thủ công độc lập Kèm theo là các lựa chọn hình ảnh và video.

Trung bình 1 m 2 bề mặt trái đất nhận được 161 W năng lượng mặt trời lúc một 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 năng lượng mặt trời 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 hệ thống hiện đại hiệu quả đến mức chúng có thể hoạt động ở hầu hết mọi nơi trên trái đất.

Sự miêu tả:

Điều đặc biệt quan trọng khi thiết kế các địa điểm tổ chức Olympic ở Sochi là việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường và trước hết là năng lượng. bức xạ năng lượng mặt trời. Về vấn đề này, kinh nghiệm phát triển và triển khai hệ thống sưởi năng lượng mặt trời thụ động trong các tòa nhà dân cư và công cộng ở tỉnh Liêu Ninh (Trung Quốc) sẽ rất đáng quan tâm, vì vị trí địa lý và điều kiện khí hậu phần này của Trung Quốc có thể so sánh với những đặc điểm tương tự của Sochi.

Kinh nghiệm của Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa

Triệu Kim Lăng, Bằng tiến sĩ. tech. Khoa học, Đại học Bách khoa Đại Liên (PRC), thực tập sinh tại Khoa Hệ thống Nhiệt điện Công nghiệp,

A. Ya. Shelginsky, Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật khoa học, giáo sư, khoa học. Giám đốc, MPEI (TU), Moscow

Điều đặc biệt quan trọng khi thiết kế các địa điểm tổ chức Olympic ở Sochi là việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường và trước hết là năng lượng bức xạ mặt trời. Về vấn đề này, kinh nghiệm phát triển và triển khai hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời thụ động trong các tòa nhà dân cư và công cộng ở tỉnh Liêu Ninh (Trung Quốc) sẽ rất đáng quan tâm vì vị trí địa lý và điều kiện khí hậu của khu vực này của Trung Quốc tương đương với Sochi.

Việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (RES) cho các hệ thống cung cấp nhiệt hiện nay là phù hợp và rất hứa hẹn, tùy thuộc vào cách tiếp cận phù hợp với vấn đề này, vì các nguồn năng lượng truyền thống (dầu, khí đốt, v.v.) không phải là vô hạn. Về vấn đề này, nhiều quốc gia, trong đó có Trung Quốc, đang chuyển sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường, một trong số đó là sức nóng của bức xạ mặt trời.

Khả năng sử dụng hiệu quả sức nóng của bức xạ mặt trời ở Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa phụ thuộc vào khu vực, vì điều kiện khí hậu ở các vùng khác nhau của đất nước rất khác nhau: từ ôn đới lục địa (tây và bắc) với mùa hè nóng bức và mùa đông khắc nghiệt, cận nhiệt đới ở miền Trung đất nước với vùng nhiệt đới gió mùa ở bờ biển phía nam và các đảo, được xác định bởi vị trí địa lý của lãnh thổ nơi có đối tượng (bảng).

Bàn Phân bổ nguồn năng lượng mặt trời ở Trung Quốc

Vùng Hàng năm khoảng thời gian sự xấc xược, h Mặt trời sự bức xạ, MJ/(m 2 .năm) Khu vực Trung Quốc Các lĩnh vực liên quan ở các nước khác trên thế giới TÔI 2 800-3 300 7 550-9 250 Tây Tạng, v.v. Miền Bắc Pakistan và Ấn Độ II 3 000-3 200 5 850-7 550 Hà Bắc, v.v. Thủ đô Jakarta của Indonesia) III 2 200-3 000 5 000-5 850 Bắc Kinh, Đại Liên, v.v. Washington (Mỹ) IV 1 400-2 200 4 150-5 000 Hồ Chí, Hồ Nam, v.v. Milan (Ý), Đức, Nhật Bản V. 1 000-1 400 3 350-4 150 Tứ Xuyên và Quý Châu Paris (Pháp), Moscow (Nga)

Tại tỉnh Liêu Ninh, cường độ bức xạ mặt trời dao động từ 5.000 đến 5.850 MJ/m2 mỗi năm (ở Sochi - khoảng 5.000 MJ/m2 mỗi năm), giúp có thể chủ động sử dụng hệ thống sưởi và làm mát cho các tòa nhà dựa trên việc sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời. Những hệ thống chuyển đổi nhiệt của bức xạ mặt trời và không khí bên ngoài có thể được chia thành chủ động và thụ động.

Trong các hệ thống thụ động sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời(PSST) sử dụng sự tuần hoàn tự nhiên của không khí nóng (Hình 1), tức là lực hấp dẫn.

Các hệ thống nhiệt mặt trời đang hoạt động (Hình 2) sử dụng các nguồn năng lượng bổ sung để đảm bảo hoạt động của nó (ví dụ như điện). Nhiệt của bức xạ mặt trời đi vào các bộ thu năng lượng mặt trời, nơi nó được tích lũy một phần và chuyển sang chất làm mát trung gian, chất này được vận chuyển và phân phối khắp cơ sở bằng máy bơm.

Có thể sử dụng các hệ thống không tiêu thụ nhiệt và lạnh, trong đó các thông số không khí trong nhà thích hợp được cung cấp mà không cần tiêu thụ thêm năng lượng do:

• cách nhiệt cần thiết;
• lựa chọn vật liệu xây dựng có tính chất bảo quản nhiệt, lạnh thích hợp;
• sử dụng trong hệ thống bình ắc quy nóng lạnh bổ sung có đặc tính phù hợp.

Trong bộ lễ phục. Hình 3 cho thấy sơ đồ cải tiến về hoạt động của hệ thống sưởi thụ động cho một tòa nhà với các bộ phận (rèm, van) cho phép điều chỉnh chính xác hơn nhiệt độ không khí trong phòng. Ở phía nam của tòa nhà, một cái gọi là bức tường Trombe được lắp đặt, bao gồm một bức tường lớn (bê tông, gạch hoặc đá) và một vách ngăn bằng kính được lắp đặt cách bức tường bên ngoài một khoảng ngắn. Bề mặt bên ngoài của bức tường lớn được sơn bằng màu tối. Thông qua vách ngăn kính, bức tường lớn và không khí nằm giữa vách ngăn kính và bức tường lớn được làm nóng. Một bức tường lớn được làm nóng, do bức xạ và trao đổi nhiệt đối lưu, truyền nhiệt tích lũy vào phòng. Do đó, thiết kế này kết hợp các chức năng của bộ thu và bộ tích nhiệt.

Không khí nằm ở lớp giữa vách ngăn kính và tường được sử dụng làm chất làm mát để cung cấp nhiệt cho căn phòng trong thời kỳ lạnh giá và những ngày nắng. Để ngăn chặn sự mất nhiệt trong môi trường trong thời gian lạnh vào ban đêm và lượng nhiệt dư thừa vào những ngày nắng của thời kỳ ấm áp, rèm được sử dụng, giúp giảm đáng kể sự trao đổi nhiệt giữa bức tường kiên cố và môi trường bên ngoài.

Rèm được làm bằng vật liệu không dệt với lớp phủ bạc. Để đảm bảo sự lưu thông không khí cần thiết, van khí được sử dụng, được đặt ở phía trên và phần dưới bức tường đồ sộ. Điều khiển tự động hoạt động của van khí cho phép bạn duy trì dòng nhiệt vào hoặc dòng nhiệt cần thiết trong phòng được bảo trì.

Một hệ thống sưởi năng lượng mặt trời thụ động hoạt động như sau:

1. Trong thời kỳ lạnh (sưởi ấm):

• ngày nắng - rèm được kéo lên, van đang mở(Hình 3a). Điều này dẫn đến việc làm nóng bức tường lớn thông qua vách ngăn kính và làm nóng không khí nằm ở lớp giữa vách ngăn kính và tường. Nhiệt đi vào phòng từ bức tường được làm nóng và không khí được làm nóng trong lớp xen kẽ, lưu thông qua lớp xen kẽ và căn phòng dưới tác động của nó. lực hấp dẫn do sự khác biệt về mật độ không khí ở các nhiệt độ khác nhau (lưu thông tự nhiên);
• đêm, buổi tối hoặc ngày nhiều mây - rèm buông xuống, các van đóng lại (Hình 3b). Sự truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài giảm đáng kể. Nhiệt độ trong phòng được duy trì nhờ dòng nhiệt từ một bức tường lớn đã tích tụ lượng nhiệt này từ bức xạ mặt trời;

2. Vào thời kỳ ấm áp (làm mát):

• ngày nắng - rèm hạ xuống, van dưới mở, van trên đóng (Hình 3c). Bức màn bảo vệ bức tường khổng lồ khỏi bị nóng từ bức xạ mặt trời. Không khí bên ngoài đi vào phòng từ phía có bóng râm của ngôi nhà và thoát ra ngoài qua lớp giữa vách ngăn kính và tường ra môi trường;
• đêm, buổi tối hoặc ngày nhiều mây - rèm được kéo lên, các van phía dưới mở, các van phía trên đóng lại (Hình 3d). Không khí bên ngoài đi vào phòng từ phía đối diện của ngôi nhà và thoát ra môi trường qua lớp giữa vách ngăn kính và tường kiên cố. Bức tường được làm mát do sự trao đổi nhiệt đối lưu với không khí đi qua lớp và do sự thoát nhiệt bằng bức xạ vào môi trường. Bức tường được làm mát vào ban ngày duy trì mức độ cần thiết chế độ nhiệt độ trong phòng.

Để tính toán hệ thống sưởi năng lượng mặt trời thụ động cho các tòa nhà, đã phát triển mô hình toán học truyền nhiệt không cố định trong quá trình đối lưu tự nhiên để cung cấp cho các phòng điều kiện nhiệt độ cần thiết tùy thuộc vào đặc tính vật lý nhiệt của các cấu trúc bao quanh, sự thay đổi hàng ngày của bức xạ mặt trời và nhiệt độ không khí bên ngoài.

Để xác định độ tin cậy và làm rõ các kết quả thu được ở Đại Liên Đại học Bách khoa một mô hình thử nghiệm của một tòa nhà dân cư ở Đại Liên với hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời thụ động đã được phát triển, sản xuất và nghiên cứu. Bức tường Trombe chỉ được đặt ở mặt tiền phía Nam, có van điều hòa và rèm tự động (Hình 3, ảnh).

Khi tiến hành thí nghiệm chúng tôi đã sử dụng:

• trạm thời tiết nhỏ;
• dụng cụ đo cường độ bức xạ mặt trời;
• máy đo gió RHAT-301 để xác định tốc độ không khí trong nhà;
• Nhiệt kế TR72-S và cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ phòng.

Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện vào các thời kỳ ấm áp, chuyển tiếp và lạnh giá trong năm dưới các điều kiện khí tượng khác nhau.

Thuật toán giải quyết vấn đề được trình bày trong Hình. 4.

Các kết quả thử nghiệm đã xác nhận độ tin cậy của các mối quan hệ được tính toán thu được và cho phép hiệu chỉnh các phụ thuộc riêng lẻ có tính đến các điều kiện biên cụ thể.

Hiện nay, có nhiều tòa nhà dân cư và trường học ở tỉnh Liêu Ninh sử dụng hệ thống sưởi ấm năng lượng mặt trời thụ động.

Phân tích các hệ thống cung cấp nhiệt năng lượng mặt trời thụ động cho thấy chúng khá hứa hẹn ở một số vùng khí hậu nhất định so với các hệ thống khác vì những lý do sau:

• sự rẻ tiền;
• dễ bảo trì;
• độ tin cậy.

Nhược điểm của hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời thụ động bao gồm thực tế là các thông số không khí trong nhà có thể khác với thông số yêu cầu (được tính toán) khi nhiệt độ không khí bên ngoài thay đổi vượt quá giới hạn được chấp nhận trong tính toán.

Để đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng tốt trong hệ thống sưởi và làm mát cho các tòa nhà với việc duy trì điều kiện nhiệt độ chính xác hơn trong giới hạn quy định, nên kết hợp hệ thống sưởi và làm mát năng lượng mặt trời thụ động và chủ động.

Về vấn đề này, cần phải nghiên cứu lý thuyết sâu hơn và thực nghiệm trên các mô hình vật lý, có tính đến các kết quả thu được trước đó.

Văn học

1. Zhao Jinling, Chen Bin, Liu Jingjun, Wang Yongxun Mô phỏng hiệu suất nhiệt động của một ngôi nhà năng lượng mặt trời thụ động được cải tiến với bức tường trombe ISES Solar word Congress, 2007, Bắc Kinh Trung Quốc, Tập 1-V: 2234–2237.

2. Zhao Jinling, Chen Bin, Chen Cuiying, Sun Yuanyuan Nghiên cứu phản ứng nhiệt động của thụ động hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời. Tạp chí Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân (Bộ mới). 2007. Tập. 14: 352–355.

Gần một nửa năng lượng được tạo ra được sử dụng để làm nóng không khí. Mặt trời cũng chiếu sáng vào mùa đông nhưng bức xạ của nó thường bị đánh giá thấp.

Vào một ngày tháng 12 gần Zurich, nhà vật lý A. Fischer đang tạo ra hơi nước; đây là lúc mặt trời ở điểm thấp nhất và nhiệt độ không khí là 3°C. Một ngày sau, một bộ thu năng lượng mặt trời có diện tích 0,7 m2 làm nóng 30 l nước lạnh từ nguồn cấp nước trong vườn lên tới +60°С.

Năng lượng mặt trời có thể dễ dàng được sử dụng để sưởi ấm không khí trong nhà vào mùa đông. Vào mùa xuân và mùa thu, khi trời thường nắng nhưng lạnh, hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời của cơ sở sẽ cho phép bạn không bật hệ thống sưởi chính. Điều này giúp tiết kiệm một phần năng lượng và do đó tiết kiệm được tiền. Đối với những ngôi nhà ít được sử dụng hoặc nhà ở theo mùa (nhà tranh, nhà gỗ), việc sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời đặc biệt hữu ích vào mùa đông, bởi... loại bỏ sự làm mát quá mức của các bức tường, ngăn chặn sự phá hủy từ sự ngưng tụ hơi ẩm và nấm mốc. Bằng cách này, chi phí vận hành hàng năm giảm đi phần lớn.

Khi sưởi ấm nhà bằng nhiệt mặt trời, cần giải quyết vấn đề cách nhiệt của mặt bằng dựa trên các yếu tố kiến ​​trúc và kết cấu, tức là. trong khi tạo hệ thống hiệu quả sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời nên xây dựng những ngôi nhà có đặc tính cách nhiệt tốt.

Chi phí nhiệt
Sưởi ấm phụ trợ

Đóng góp năng lượng mặt trời vào sưởi ấm nhà
Thật không may, chu kỳ cung cấp nhiệt từ Mặt trời không phải lúc nào cũng trùng pha với chu kỳ xuất hiện tải nhiệt.

Hầu hết năng lượng mà chúng ta sử dụng trong mùa hè đều bị mất do không có nhu cầu liên tục về nó (trên thực tế, hệ thống thu gom ở một mức độ nào đó là một hệ thống tự điều chỉnh: khi nhiệt độ của chất mang đạt đến đạt giá trị cân bằng thì quá trình hấp thụ nhiệt dừng lại vì tổn thất nhiệt từ bộ thu năng lượng mặt trời trở nên bằng với nhiệt lượng cảm nhận được).

Lượng nhiệt hữu ích được hấp thụ bởi bộ thu năng lượng mặt trời phụ thuộc vào 7 thông số:

1. lượng năng lượng mặt trời đi vào;
2. tổn thất quang học trong cách điện trong suốt;
3. đặc tính hấp thụ của bề mặt nhận nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời;
4. hiệu suất truyền nhiệt từ bộ thu nhiệt (từ bề mặt nhận nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời sang chất lỏng, tức là trên giá trị hiệu suất của bộ thu nhiệt);
5. độ truyền nhiệt của vật liệu cách nhiệt trong suốt, xác định mức độ tổn thất nhiệt;
6. nhiệt độ của bề mặt nhận nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời, do đó phụ thuộc vào tốc độ của chất làm mát và nhiệt độ của chất làm mát ở lối vào bộ thu năng lượng mặt trời;
7. nhiệt độ không khí bên ngoài.

Hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời, tức là tỷ lệ năng lượng đã sử dụng và năng lượng sự cố sẽ được xác định bởi tất cả các thông số này. Tại điều kiện thuận lợi nó có thể đạt tới 70% và trong trường hợp điều kiện không thuận lợi có thể giảm xuống 30%. Giá trị hiệu suất chính xác chỉ có thể đạt được trong tính toán sơ bộ bằng cách mô hình hóa đầy đủ hoạt động của hệ thống, có tính đến tất cả các yếu tố được liệt kê ở trên. Rõ ràng, vấn đề như vậy chỉ có thể được giải quyết bằng máy tính.

Do mật độ thông lượng của bức xạ mặt trời thay đổi liên tục nên tổng lượng bức xạ mỗi ngày hoặc thậm chí mỗi tháng có thể được sử dụng để ước tính tính toán.

Trong bảng 1 là một ví dụ:

lượng bức xạ mặt trời trung bình hàng tháng nhận được, đo trên bề mặt nằm ngang;

số tiền tính cho bức tường thẳng đứng, hướng về phía nam;

tổng cho các bề mặt với góc tối ưu nghiêng 34° (đối với Kew, gần London).

Bảng 1. Lượng bức xạ mặt trời hàng tháng đến Kew (gần London)

Bảng cho thấy một bề mặt có góc nghiêng tối ưu sẽ nhận được (trung bình trong vòng 8 những tháng mùa đông) có năng lượng gấp khoảng 1,5 lần so với bề mặt nằm ngang. Nếu biết lượng bức xạ mặt trời tới một bề mặt nằm ngang thì để chuyển chúng sang bề mặt nghiêng, chúng có thể được nhân với tích của hệ số này (1.5) và giá trị được chấp nhận hiệu suất thu năng lượng mặt trời bằng 40%, tức là

1,5*0,4=0,6

Điều này sẽ cung cấp lượng năng lượng hữu ích được hấp thụ bởi bề mặt nhận nhiệt nghiêng trong một khoảng thời gian nhất định.

Để xác định sự đóng góp hiệu quả của năng lượng mặt trời vào việc cung cấp nhiệt cho tòa nhà, ngay cả bằng cách tính toán thủ công, cần phải lập ít nhất số dư hàng tháng về nhu cầu và nhiệt hữu ích nhận được từ Mặt trời. Để rõ ràng, chúng ta hãy xem một ví dụ.

Nếu chúng ta sử dụng dữ liệu trên và xem xét một ngôi nhà có tốc độ tổn thất nhiệt là 250 W/°C thì vị trí đó có số ngày nhiệt độ hàng năm là 2800 (67200°C*h). và diện tích của bộ thu năng lượng mặt trời, ví dụ: 40 m2, sau đó sẽ được phân bổ theo tháng như sau (xem Bảng 2).

Bảng 2. Tính toán hiệu quả đóng góp của năng lượng mặt trời

Tháng	°C*giờ/tháng	Lượng bức xạ trên bề mặt nằm ngang, kW*h/m2	Nhiệt hữu ích trên một đơn vị diện tích thu (D*0,6), kW*h/m2	Tổng cộng nhiệt hữu ích(E*40 m2), kW*h	Đóng góp của năng lượng mặt trời, kW*h/m2
MỘT	B	C	D	E	F	G
Tháng Một	10560	2640	18,3	11	440	440
Tháng hai	9600	2400	30,9	18,5	740	740
Bước đều	9120	2280	60,6	36,4	1456	1456
Tháng tư	6840	1710	111	67,2	2688	1710
Có thể	4728	1182	123,2	73,9	2956	1182
Tháng sáu	-	-	150,4	90,2	3608	-
Tháng bảy	-	-	140,4	84,2	3368	-
Tháng tám	-	-	125,7	75,4	3016	-
Tháng 9	3096	774	85,9	51,6	2064	774
Tháng Mười	5352	1388	47,6	28,6	1144	1144
Tháng mười một	8064	2016	23,7	14,2	568	568
Tháng 12	9840	2410	14,4	8,6	344	344
Tổng	67200	16800	933	559,8	22392	8358

Chi phí nhiệt
Sau khi tính toán lượng nhiệt do Mặt trời cung cấp, cần phải trình bày nó dưới dạng tiền tệ.

Chi phí nhiệt sinh ra phụ thuộc vào:

chi phí nhiên liệu;

nhiệt trị của nhiên liệu;

hiệu quả tổng thể của hệ thống.

Do đó, chi phí vận hành thu được có thể được so sánh với chi phí vốn của hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời.

Theo đó, nếu chúng ta giả sử rằng trong ví dụ đã thảo luận ở trên, hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời được sử dụng thay vì hệ thống sưởi ấm truyền thống tiêu thụ nhiên liệu khí chẳng hạn và tạo ra nhiệt với chi phí 1,67 rúp/kWh, thì theo thứ tự để xác định mức tiết kiệm hàng năm, cần 8358 kWh do năng lượng mặt trời cung cấp (theo tính toán trong Bảng 2 cho diện tích bộ thu 40 m2), nhân với 1,67 rúp/kWh, cho kết quả

8358*1,67 = 13957,86 rúp.

Sưởi ấm phụ trợ
Một trong những câu hỏi thường được hỏi bởi những người muốn hiểu việc sử dụng năng lượng mặt trời để sưởi ấm (hoặc các mục đích khác) là “Bạn làm gì khi mặt trời không chiếu sáng?” Sau khi hiểu khái niệm lưu trữ năng lượng, họ đặt câu hỏi tiếp theo: “Phải làm gì khi không còn nhiệt năng trong pin?” Câu hỏi này là chính đáng và nhu cầu về một hệ thống dự phòng, thường là thông thường là trở ngại lớn cho việc áp dụng rộng rãi năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng hiện có.

Nếu công suất của hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời không đủ để giúp tòa nhà vượt qua thời tiết lạnh giá, nhiều mây, thì hậu quả, dù chỉ một lần trong mùa đông, có thể nghiêm trọng đến mức phải yêu cầu cung cấp hệ thống sưởi cỡ lớn thông thường. hệ thống sưởi ấm làm dự phòng. Hầu hết các tòa nhà được sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời đều cần một hệ thống dự phòng đầy đủ. Hiện nay, ở hầu hết các khu vực, năng lượng mặt trời nên được coi là phương tiện để giảm tiêu thụ các dạng năng lượng truyền thống chứ không phải là sự thay thế hoàn toàn cho chúng.

Máy sưởi thông thường là lựa chọn thay thế phù hợp, nhưng có nhiều lựa chọn thay thế khác, ví dụ:

Lò sưởi;
- bếp lò;
- lò sưởi gỗ.

Tuy nhiên, giả sử chúng ta muốn tạo ra một hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời đủ lớn để cung cấp nhiệt cho căn phòng trong những điều kiện bất lợi nhất. Vì sự kết hợp của những ngày rất lạnh và thời tiết nhiều mây kéo dài là rất hiếm, kích thước bổ sung nhà máy điện mặt trời (bộ thu và pin) cần thiết cho những trường hợp này sẽ quá đắt và tiết kiệm nhiên liệu tương đối ít. Ngoài ra, hầu hết thời gian hệ thống sẽ hoạt động ở mức công suất thấp hơn danh nghĩa.

Một hệ thống nhiệt mặt trời được thiết kế để cung cấp 50% tải sưởi ấm chỉ có thể cung cấp đủ nhiệt cho 1 ngày thời tiết rất lạnh. Khi tăng gấp đôi kích thước hệ mặt trời ngôi nhà sẽ được cung cấp nhiệt cho 2 ngày nhiều mây lạnh giá. Trong khoảng thời gian dài hơn 2 ngày, lần tăng kích thước tiếp theo sẽ không hợp lý như lần trước. Ngoài ra, sẽ có những giai đoạn thời tiết ôn hòa khi không cần thiết phải tăng lần thứ hai.

Bây giờ, nếu bạn tăng diện tích của hệ thống thu nhiệt lên thêm 1,5 lần để kéo dài 3 ngày lạnh và nhiều mây, thì về mặt lý thuyết sẽ đủ để cung cấp 1/2 toàn bộ nhu cầu của ngôi nhà trong mùa đông. Nhưng tất nhiên, trên thực tế, điều này có thể không xảy ra, vì đôi khi có 4 (hoặc hơn) ngày liên tiếp trời nhiều mây lạnh. Để đáp ứng nhu cầu của ngày thứ 4 này, chúng ta sẽ cần một hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời về mặt lý thuyết có thể thu nhiệt lượng gấp 2 lần so với nhu cầu của tòa nhà trong thời gian này. mùa sưởi ấm. Rõ ràng là thời kỳ lạnh và nhiều mây có thể kéo dài hơn dự kiến ​​trong thiết kế hệ thống nhiệt mặt trời. Bộ thu càng lớn thì mỗi lần tăng kích thước bổ sung của nó được sử dụng càng ít, năng lượng tiết kiệm được trên một đơn vị diện tích bộ thu càng ít và lợi tức đầu tư trên mỗi đơn vị diện tích bổ sung càng thấp.

Tuy nhiên, những nỗ lực táo bạo đã được thực hiện nhằm lưu trữ đủ năng lượng nhiệt mặt trời để đáp ứng toàn bộ nhu cầu sưởi ấm và loại bỏ hệ thống sưởi ấm phụ trợ. Với ngoại lệ hiếm hoi của các hệ thống như Nhà năng lượng mặt trời G. Hay, việc lưu trữ nhiệt lâu dài có lẽ là giải pháp thay thế duy nhất cho hệ thống phụ trợ. Ông Thomason đã gần đạt được mục tiêu sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời 100% trong ngôi nhà đầu tiên của mình ở Washington; chỉ có 5% tải trọng sưởi ấm được bao phủ bởi lò sưởi đốt dầu tiêu chuẩn.

Nếu hệ thống phụ trợ chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong toàn bộ phụ tải thì việc sử dụng hệ thống sưởi bằng điện là hợp lý, mặc dù thực tế là nó đòi hỏi phải sản xuất một lượng năng lượng đáng kể trong nhà máy điện, sau đó chuyển thành nhiệt để sưởi ấm. (10500 ... 13700 kJ được tiêu thụ trong nhà máy điện để sản xuất 1 kWh năng lượng nhiệt trong tòa nhà). Trong hầu hết các trường hợp, máy sưởi điện sẽ rẻ hơn máy sưởi dầu hoặc Bếp ga và lượng điện tương đối nhỏ cần thiết để sưởi ấm một tòa nhà có thể biện minh cho việc sử dụng nó. Ngoài ra, lò sưởi điện là một thiết bị ít tốn vật liệu hơn do sử dụng một lượng vật liệu tương đối nhỏ (so với lò sưởi) để sản xuất cuộn dây điện.

Vì hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời tăng đáng kể nếu nó được vận hành ở nhiệt độ thấp, thì hệ thống sưởi ấm phải được thiết kế để sử dụng nhiệt độ càng thấp càng tốt - thậm chí ở mức 24...27°C. Một trong những ưu điểm của hệ thống không khí ấm Thomason là nó tiếp tục trích nhiệt hữu ích từ pin ở nhiệt độ gần bằng nhiệt độ phòng.

Trong công trình mới hệ thông sưởi âm có thể được kỳ vọng sẽ tận dụng được nhiệt độ thấp hơn, ví dụ bằng cách kéo dài bộ tản nhiệt nước nóng có vây, tăng kích thước của các tấm bức xạ hoặc tăng thể tích không khí có nhiệt độ thấp hơn. Các nhà thiết kế thường lựa chọn cách sưởi ấm căn phòng bằng không khí ấm áp hoặc sử dụng các tấm bức xạ mở rộng. Trong hệ thống sưởi ấm không khí Nhiệt lưu trữ ở nhiệt độ thấp được sử dụng tốt nhất. Các tấm sưởi bức xạ có thời gian trễ dài (giữa việc bật hệ thống và làm nóng không gian không khí) và thường yêu cầu nhiệt độ vận hành của chất làm mát cao hơn hệ thống không khí nóng. Do đó, nhiệt từ thiết bị lưu trữ không được tận dụng tối đa ở nhiệt độ thấp hơn, điều này có thể chấp nhận được đối với các hệ thống có không khí ấm và hiệu quả tổng thể của một hệ thống như vậy là thấp hơn. Việc tăng kích thước hệ thống bảng bức xạ để đạt được kết quả tương tự như không khí có thể phải chịu thêm chi phí đáng kể.

Để tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống (sưởi bằng năng lượng mặt trời và hệ thống dự phòng phụ trợ) đồng thời giảm chi phí tổng thể bằng cách loại bỏ thời gian ngừng hoạt động các thành phần, nhiều nhà thiết kế đã chọn tích hợp bộ thu năng lượng mặt trời và pin với hệ thống phụ trợ. Những cái phổ biến là: yếu tố cấu thành, Làm sao:

Người hâm mộ;
- máy bơm;
- bộ trao đổi nhiệt;
- điều khiển;
- đường ống;
- ống dẫn khí.

Những hình ảnh trong bài viết System Engineering cho thấy kế hoạch khác nhau những hệ thống như vậy.

Cạm bẫy của việc thiết kế giao diện giữa các hệ thống là sự gia tăng các bộ điều khiển và bộ phận chuyển động, làm tăng khả năng xảy ra lỗi cơ học. Gần như không thể cưỡng lại được sự cám dỗ để tăng hiệu suất lên 1...2% bằng cách thêm một thiết bị khác ở điểm nối của hệ thống và có thể là lý do phổ biến nhất dẫn đến sự cố của hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời. Thông thường, máy sưởi phụ không nên làm nóng ngăn chứa nhiệt năng lượng mặt trời. Nếu điều này xảy ra, giai đoạn thu nhiệt mặt trời sẽ kém hiệu quả hơn vì quá trình này hầu như luôn xảy ra ở nhiệt độ cao hơn. nhiệt độ caoỒ. Trong các hệ thống khác, việc giảm nhiệt độ của pin bằng cách sử dụng nhiệt từ tòa nhà sẽ làm tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Nguyên nhân dẫn đến những thiếu sót khác của sơ đồ này được giải thích là do pin bị thất thoát nhiệt lớn do nhiệt độ cao liên tục. Trong các hệ thống mà thiết bị phụ trợ không làm nóng pin, pin sau sẽ mất nhiệt ít hơn đáng kể khi không có ánh nắng mặt trời trong vài ngày. Ngay cả trong các hệ thống được thiết kế theo cách này, tổn thất nhiệt từ thùng chứa lên tới 5...20% tổng lượng nhiệt được hệ thống sưởi năng lượng mặt trời hấp thụ. Với pin, được làm nóng Thiết bị phụ trợ, tổn thất nhiệt sẽ cao hơn đáng kể và chỉ có thể được giải thích nếu hộp chứa pin được đặt bên trong phòng có hệ thống sưởi của tòa nhà

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 l nước nóng, một người cần, 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.

Có thực sự như vậy không? Bộ thu năng lượng mặt trời 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.
Rốt cuộc địa nhiệt không được làm mới nên theo thời gian, độ dày của đất ngày càng hình thành “túi lạnh”. 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 tấm OSB, tất cả các mối nối đều được lấp đầy bằng chất bịt kín.
4. Ở phía hấp phụ nó được đặt kính trong hoặc polycarbonate với một nhỏ lỗ hổng không khí. 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. Cung cấp tuần hoàn tự nhiên nước, bể phải được đặt phía trên bộ thu và đường ống phải có độ dốc không đổi.

Máy sưởi năng lượng mặt trời từ vật liệu ngẫu hứng

Nếu với máy hàn Không thể thiết lập một tình bạn, bạn có thể làm 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 ở phía nam của toàn bộ bức tường.

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 rất dễ sử dụng 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 có vẻ phức tạp thì video sẽ hiển thị tùy chọn thiếc, ống polypropylen và phim ảnh. Dễ dàng hơn nhiều!

Hệ thống nhiệt mặt trời

4.1. 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 sưởi ấm nhiệt độ thấp khác là việc sử dụng một bộ phận đặc biệt - 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.

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời thụ động là hệ thống trong đó bản thân tòa nhà hoặc các khu vực riêng biệt của nó (bộ thu của tòa nhà, bộ thu trên tường, bộ thu trên mái, v.v.) đóng vai trò là bộ phận nhận bức xạ mặt trời và chuyển nó thành nhiệt (Hình 4.1.1 )).

Cơm. 4.1.1 Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời nhiệt độ thấp thụ động “bộ thu trên tường”: 1 – tia mặt trời; 2 – màn mờ; 3 – van điều tiết không khí; 4 – không khí nóng; 5 - không khí mát từ phòng; 6 - bức xạ nhiệt sóng dài của mảng tường; 7 – bề mặt tiếp nhận chùm tia màu đen của tường; 8 – rèm.

Hoạt động là các 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, 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).

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 mang nhiệt có công suất nhiệt 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 bằng năng lượng mặt trời cho các tòa nhà thường là mạch kép hoặc thường xuyên 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 các 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 nguyên lý của hệ thống sưởi năng lượng mặt trời được thể hiện trên hình 4.1.2. 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.

Cơm. 4.1.2. Sơ đồ hệ thống sưởi năng lượng mặt trời: 1 – bộ thu năng lượng mặt trời; 2 – bể chứa; 3 – bộ trao đổi nhiệt; 4 – tòa nhà; 5 – lò sưởi; 6 – hệ thống sưởi dự phòng; 7 – dự phòng hệ thống cấp nước nóng; 8 – bơm tuần hoàn; 9 – người hâm mộ.

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. Bể chứa được nạp lại từ nguồn cung cấp 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 bộ thu năng lượng mặt trời tạo ra, nguồn dự phòng 6 được bật.

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 các chỉ số kinh tế.

4.2. Máy thu năng lượng mặt trời tập trung

Bộ thu năng lượng mặt trời tập trung là gương hình cầu hoặc gương parabol (Hình 4.2.1), 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.

Cơm. 4.2.1. Bộ thu năng lượng mặt trời tập trung: a – bộ tập trung parabol; b – bộ tập trung hình trụ parabol; 1 – tia nắng; 2 - bộ phận thu nhiệt (bộ thu năng lượng mặt trời); 3 – gương; 4 – cơ cấu truyền động của hệ thống theo dõi; 5 - đường ống cung cấp và xả chất làm mát.

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 xây dựng cao; nhu cầu làm sạch liên tục các 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.

4.3. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng

Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng là một thiết bị có tấm hấp thụ cấu hình phẳng và lớp cách nhiệt phẳng trong suốt để hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời và chuyển đổi thành nhiệt.

Bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng (Hình 4.3.1) bao gồm một lớp phủ bằng thủy tinh hoặc nhựa (đơn, đôi, ba), tấm nhận nhiệt được sơn màu đen ở mặt hướng về phía mặt trời, lớp cách nhiệt ở mặt sau và vỏ ( kim loại, nhựa, thủy tinh, gỗ).

Cơm. 4.3.1. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng: 1 - tia nắng; 2 – kính; 3 – cơ thể; 4 - bề mặt nhận nhiệt; 5 – cách nhiệt; 6 – con dấu; 7 – bức xạ sóng dài của tấm nhận nhiệt.

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 truyền nhiệt đối lưu của tấm nhận nhiệt 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 giúp 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).

Kinh nghiệm vận hành lắp đặt năng lượng mặt trời dựa trên bộ thu năng lượng mặt trời đã cho thấy một số nhược điểm đáng kể của các hệ thống như vậy. Trước hết, đây là chi phí cao của người thu gom. Việc tăng hiệu quả hoạt động của họ thông qua các lớp phủ chọn lọc, tăng độ trong suốt của kính, tản nhiệt, cũng như lắp đặt hệ thống làm mát, hóa ra lại không mang lại lợi nhuận về mặt kinh tế. 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 gom trong các khu công nghiệp. 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 với tỷ lệ bức xạ khuếch tán cao (lên tới 50%) đã cho thấy không thể tạo ra hệ thống cung cấp và sưởi ấm nước nóng tự trị quanh năm. 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 trung bình cao (không thấp hơn 300 W/m2).

Tiềm năng sử dụng năng lượng mặt trời ở Ukraine

Trên lãnh thổ Ukraine, năng lượng bức xạ mặt trời trong một giờ ban ngày trung bình hàng năm là 4 kW ∙ giờ trên 1 m 2 (tính bằng những ngày hè– lên tới 6 – 6,5 kW ∙ giờ) tức là khoảng 1,5 nghìn kW ∙ giờ mỗi năm trên một mét vuông. Điều này cũng tương tự như ở Trung Âu, nơi sử dụng năng lượng mặt trời nhiều nhất.

Ngoài điều kiện khí hậu thuận lợi, Ukraine còn có đội ngũ cán bộ khoa học có trình độ cao trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời. Sau sự trở lại của Prof. Boyko B.T. từ UNESCO, nơi ông đứng đầu chương trình quốc tế của UNESCO về sử dụng năng lượng mặt trời (1973-1979), ông bắt đầu các hoạt động tổ chức và khoa học chuyên sâu tại Viện Bách khoa Kharkov (nay là Đại học Kỹ thuật Quốc gia). - KhPI) về việc phát triển một hướng khoa học và giáo dục mới về khoa học vật liệu cho năng lượng mặt trời. Ngay từ năm 1983, theo lệnh của Bộ Giáo dục Đại học Liên Xô số 885 ngày 13 tháng 7 năm 1983, lần đầu tiên trong thực tiễn giáo dục đại học ở Liên Xô, Viện Bách khoa Kharkov bắt đầu đào tạo các kỹ sư vật lý có trình độ chuyên môn cao. trong lĩnh vực khoa học vật liệu cho năng lượng mặt trời thuộc chuyên ngành “Vật lý kim loại”. Điều này đặt nền móng cho việc thành lập khoa tốt nghiệp “Khoa học vật liệu vật lý cho điện tử và năng lượng mặt trời” (PMEG) vào năm 1988. Cục FMEG, phối hợp với Viện Nghiên cứu Công nghệ Kỹ thuật Dụng cụ (Kharkov), trong khuôn khổ chương trình không gian của Ukraine, đã tham gia chế tạo pin mặt trời silicon một cách hiệu quả. 13 - 14% cho tàu vũ trụ Ukraine.

Từ năm 1994, khoa FMEG, với sự hỗ trợ của Đại học Stuttgart và Cộng đồng Châu Âu, cũng như Đại học Kỹ thuật Zurich và Hiệp hội Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ, đã tích cực tham gia nghiên cứu khoa học về phát triển tế bào quang điện dạng màng.