Аккумулирование тепловой энергии

Как известно максимальная производительность солнечного коллектора имеет определенную величину, и зависит от площади солнечного коллектора и эффективности солнечного коллектора.

С той или иной точностью, зная все перечисленные параметры, мы можем рассчитать ожидаемую производительность любого типа солнечного коллектора за произвольный период времени (кВт·ч за единицу времени). При этом, чем дольше расчетный период времени, тем более точны расчеты производительности.

Таким образом, располагая значением суммарного годового солнечного излучения в Украине, можно относительно точно рассчитать прогнозируемую годовую производительность  коллектора. Однако практически невозможно рассчитать такой прогноз на отдельные дни в году или часы. Это и отличает гелиосистемы от других генераторов теплоты (котлы, тепловые насосы и т.д.).

Выработка тепла не совпадает с графиком потребления.

Одной из особенностей работы гелиосистемы для бытового сектора является то, что солнечные коллекторы генерируют тепло на протяжении всего светового дня, в отличии от котла, который за короткий промежуток времени может обеспечить потребителя тепловой энергией. Из-за этого время выработки тепловой энергии и потребление не совпадают. Это видно на графике.

Данные особенности показывают, что для оптимальной работы гелиосистемы необходимо аккумулировать тепловую энергию. Для этих целей, как правило, используют баки-аккумуляторы. Их объем должен быть достаточным для хранения полученной солнечной энергии за день. В данном случае мы говорим о суточном аккумулировании тепловой энергии.

Вода как лучшее вещество для аккумулирования солнечной энергии.

Вода — общедоступный и эффективный теплоноситель, имеющий высокие показатели теплопроводности  c = 4,187 (кДж/кг·К) или с = 1,1163 (Вт·ч/кг·К) второе значение чаще используется в расчетах отопительной техники. Расчеты теплоаккумулирующей емкости совпадают как для систем ГВС так и отопительных систем.

Кроме суточного аккумулирования тепловой энергии, можно реализовать аккумулирование тепла на более длительный период времени. Такие системы называют системами с сезонным аккумулированием тепловой энергии. Для реализации таких объектов баки аккумуляторы должны иметь значительные объемы, что бы за летный период накопить тепло, которое будет потребляться за отапливаемый период.

Не всегда объем бака аккумулятора имеет решающее значение. Определяющим параметром служит теплоемкость. Для воды теплоемкость ограничена теплофизическими свойствами. При атмосферном давлении мы можем нагреть воду до 95°С, поэтому при условии, что конечное значение температуры воды после использования теплоты будет 45°С,  мы можем получить не более 60 Вт/кг (w=1,1163·(95-45))=58,15 Вт/кг).

Альтернативные способы хранения тепла.

Иногда для  целей повышения теплоемкости аккумулятора используют другие виды аккумулируемых сред (бетон, галька, металл и т.д.). При равном объеме данные вещества обладают меньшей удельной теплопроводностью, однако их можно нагревать до более высоких температур, что в свою очередь увеличивает теплоемкость аккумулятора. При нагревании на очень высокие температуры можно достичь значения теплоемкости до 400 Вт/кг.

Однако для использования с гелиосистемами температура нагрева аккумулятора тепла ограничена максимальной температурой нагрева солнечных коллекторов. Так же хранение аккумулирующей среды с высокой температурой увеличивает тепловые потери, поэтому, как правило, аккумулятор заряжается до сравнительно невысоких температур (до 95°С) и используется с низко потенциальной системой отопления (теплые полы, фанкойлы).

Эффективно может аккумулироваться и теплота плавления некоторых материалов.  Для таких аккумуляторов тепла используют парафин, каустическую соду, и т.д.  При фазовом переходе во время плавления значение теплоемкости рассчитывается так:

W = m [ct (ϑ s –ϑ 1) + C + cs (ϑ 2 –ϑ s)]

где

• W — аккумулированная энергия  Дж;
• m — масса аккумулирующего вещества  кг;
• ct — удельная теплоемкость в твердом состоянии Дж / (кг·K);
• cs — удельная теплоемкость в жидком состоянии  Дж / (кг· K);
• C —  теплота плавления  Дж/кг ;
• ϑ1 — начальная температура °С;
• ϑs — температура плавления °С;
• ϑ2 — температура нагрева °С;