Акумулювання теплової енергії для геліосистем

Акумулювання енергії для геліосистеми є однією з найважливіших складових функціонування системи сонячного теплопостачання. Воно дозволяє зберігати надмірну сонячну енергію, отриману в періоди активного сонячного випромінювання, і використовувати її під час відсутності сонця або за зниженої інтенсивності сонячної активності.

Як відомо, максимальна продуктивність сонячного колектора має певну величину, і залежить від площі сонячного колектора та ефективності сонячного колектора.

Для чого потрібно акумулювання енергії для геліосистеми

З тією чи іншою точністю, знаючи всі ці параметри, ми можемо розрахувати очікувану продуктивність будь-якого типу сонячного колектора за довільний період часу (кВт·ч за одиницю часу). При цьому чим довше розрахунковий період часу, тим більш точні розрахунки продуктивності.

Таким чином, маючи значення сумарного річного сонячного випромінювання в Україні, можна відносно точно розрахувати прогнозовану річну продуктивність колектора. Проте практично неможливо розрахувати такий прогноз на окремі дні на рік чи години. Це відрізняє геліосистеми від інших генераторів теплоти (котли, теплові насоси і т.д.).

Вироблення тепла не збігається з графіком споживання

Однією з особливостей роботи геліосистеми для побутового сектора є те, що сонячні колектори генерують тепло протягом усього світлового дня, на відміну від котла, який за короткий час може забезпечити споживача тепловою енергією. Через це час вироблення теплової енергії та споживання не збігаються. Це видно на графіку.Графік вироблення та споживання теплової енергії при застосуванні сонячних колекторів

Дані особливості показують, що з оптимальної роботи геліосистеми необхідно акумулювати теплову енергію. Для цих цілей зазвичай використовують баки-акумулятори. Їх обсяг має бути достатнім для зберігання отриманої сонячної енергії протягом дня. В даному випадку ми говоримо про добове акумулювання теплової енергії.

Вода як найкраща речовина для акумулювання сонячної енергії

Вода – загальнодоступний та ефективний теплоносій, що має високі показники теплопровідності c = 4,187 (кДж/кг·К) або с = 1,1163 (Вт·ч/кг·К) друге значення частіше використовується в розрахунках опалювальної техніки. Розрахунки теплоакумулюючої ємності збігаються як для ГВП так і опалювальних систем.

Крім добового акумулювання теплової енергії можна реалізувати акумулювання тепла на більш тривалий період часу. Такі системи називають системами із сезонним акумулюванням теплової енергії. Для реалізації таких об’єктів баки акумулятори повинні мати значні обсяги, щоб за літній період накопичити тепло, яке споживатиметься за опалювальний період.

Не завжди об’єм бака акумулятора має вирішальне значення. Визначальним параметром є теплоємність. Для води теплоємність обмежена теплофізичними властивостями. При атмосферному тиску ми можемо нагріти воду до 95°С, тому за умови, що кінцеве значення температури води після використання теплоти буде 45°С, ми можемо отримати не більше 60 Вт/кг (w=1,1163·(95-45) ) = 58,15 Вт/кг).

Альтернативні способи акумулювання тепла

Іноді для підвищення теплоємності акумулятора використовують інші види акумулюваних середовищ (бетон, галька, метал і т.д.). При рівному обсязі дані речовини мають меншу питому теплопровідність, проте їх можна нагрівати до вищих температур, що у свою чергу збільшує теплоємність акумулятора. При нагріванні дуже високі температури можна досягти значення теплоємності до 400 Вт/кг.

Однак для використання з геліосистемами температура нагрівання акумулятора тепла обмежена максимальною температурою нагрівання сонячних колекторів. Також зберігання акумулюючого середовища з високою температурою збільшує теплові втрати, тому, як правило, акумулятор заряджається до порівняно невисоких температур (до 95°С) і використовується з низько потенційною системою опалення (теплі підлоги, фанкойли).

Ефективно може акумулюватись і теплота плавлення деяких матеріалів. Для таких акумуляторів тепла використовують парафін, каустичну соду і т.д. При фазовому переході під час плавлення значення теплоємності розраховується так:

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

де:

• W – акумульована енергія Дж;
• m – маса акумулюючої речовини кг;
• ct – питома теплоємність у твердому стані Дж/(кг·K);
• cs – питома теплоємність у рідкому стані Дж / (кг · K);
• C – теплота плавлення  Дж/кг;
• ϑ1 – початкова температура °С;
• ϑs – температура плавлення С;
• ϑ2 – температура нагріву °С.