Основы солнечной теплоэнергетики

ДЖ. ДАФФИ, У. БЕКМАН



            ОСНОВЫ СОЛНЕЧНОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ


Перевод с английского
О.С. Попеля, С.Е. Фрида, Г.А. Гухман, С.В. Киселёвой, А.В. Мальцевой под редакцией О.С. Попеля











л

                                                 Издательский Дом
                                                 ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2013

Дж. Даффи, У. Бекман
   Основы солнечной теплоэнергетики. Пер. с англ.: Учебно-справочное руководство / Дж. Даффи, У. Бекман — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013. — 888 с.
   ISBN 978-5-91559-141-6

   Третье издание книги Джона Даффи и Уильяма Бекмана «Основы солнечной теплоэнергетики» является наиболее основательным, авторитетным и цитируемым среди специалистов-гелиоэнергетиков фундаментальным научным трудом, посвященным описанию расчетно-теоретических и экспериментальных методов исследования процессов теплового преобразования солнечной энергии.
   В книге рассмотрены как базовые процессы преобразования энергии, математические модели и методы проектирования солнечных энергоустановок и систем солнечного теплоснабжения, так и подходы к практической реализации этих систем. Книга обобщает почти пятидесятилетний опыт Лаборатории солнечной энергетики Висконсинского университета США. Это разработчик системы динамического моделирования установок возобновляемой энергетики TRNSYS, ставшей по сути стандартом при проектировании гелиоустановок в большинстве стран мира.
   По охвату и глубине изложения данное руководство стало самой фундаментальной работой в области основ гелиотехники и ее издание в русском переводе будет необходимо для широкого круга специалистов.
   Она крайне полезна и для преподавателей и студентов вузов, готовящих специалистов в области альтернативной энергетики.


















ISBN 978-5-91559-141-6
ISBN 978-0-471-69867-8 (англ)

                             ©


2013, ООО Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

        ОГЛАВЛЕНИЕ









Предисловие научного редактора перевода..............................14

Часть I
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Глава 1 СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ..................................................21
   1.1. Солнце.......................................................21
   1.2. Солнечная постоянная.........................................23
   1.3. Спектральное распределение заатмосферного излучения..........25
   1.4. Изменчивость потока заатмосферного излучения.................28
   1.5. Определения..................................................29
   1.6. Направление распространения прямого солнечного излучения.....32
   1.7. Углы для следящих поверхностей...............................40
   1.8. Отношение потоков прямого солнечного излучения, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности.........................43
   1.9. Затенение....................................................50
   1.10. Заатмосферное излучение, поступающее на горизонтальную поверхность........................................................57
   1.11. Выводы......................................................62
   Литература........................................................63

Глава 2 СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ.............................64
   2.1. Определения..................................................64
   2.2. Пиргелиометры и пиргелиометрические шкалы....................65
   2.3. Пиранометры..................................................69
   2.4. Измерение продолжительности солнечного сияния................75
   2.5. Данные о солнечном излучении.................................76
   2.6. Ослабление солнечного излучения в атмосфере..................84
   2.7. Оценка средних значений солнечного излучения.................88
   2.8. Оценки потоков солнечного излучения при ясном небе...........93
   2.9. Распределение ясных и облачных дней и часов..................97

-JU Оглавление

   2.10. Прямая и рассеянная составляющие часовой суммы солнечного излучения...........................................................101
   2.11. Прямая и рассеянная составляющие дневного солнечного излучения...103
   2.12. Прямая и рассеянная составляющие среднемесячной дневной суммы солнечного излучения................................................105
   2.13. Определение часовых сумм солнечного излучения на основе суточных данных..............................................................107
   2.14. Солнечное излучение, падающее на наклонную поверхность........112
   2.15. Излучение на наклонных поверхностях: изотропный небосвод......117
   2.16. Излучение на наклонных поверхностях: анизотропный небосвод....118
   2.17. Увеличение потока солнечного излучения........................124
   2.18. Прямое излучение на движущихся поверхностях...................129
   2.19. Среднее излучение на наклонных поверхностях: изотропный небосвод.130
   2.20. Среднее излучение на наклонных поверхностях: КТ-метод.........135
   2.21. Влияние ориентации приемной поверхности на Нт.................141
   2.22. Используемость................................................144
   2.23. Обобщенная используемость.....................................148
   2.24. Дневная используемость........................................156
   2.25. Заключение....................................................162
   Литература..........................................................163

Глава 3
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА...................................168
     3.1. Спектр электромагнитного излучения...........................168
     3.2. Фотонное излучение...........................................169
     3.3. Черное тело — идеальный поглотитель и излучатель.............170
     3.4. Закон Планка и закон смещения Вина...........................170
     3.5. Уравнение Стефана—Больцмана..................................172
     3.6. Таблицы энергии излучения черного тела.......................172
     3.7. Интенсивность и плотность потока излучения...................175
     3.8. Радиационный теплообмен между серыми поверхностями...........178
     3.9. Излучение небосвода..........................................179
   3.10. Коэффициент теплопередачи излучением..........................180
   3.11. Свободная конвекция между плоскими параллельными пластинами и между концентрическими цилиндрами.................................182
   3.12. Подавление конвекции..........................................187
   3.13. V-образная гофрированная поглощающая панель...................190
   3.14. Формулы теплообмена для течения в трубах и каналах............191
   3.15. Конвективный коэффициент теплоотдачи за счет ветра............196
   3.16. Теплообмен и потери давления в насадках и перфорированных пластинах...........................................................198
   3.17. Метод эффективность-NTU для расчета теплообменников...........201
   Литература..........................................................204

Оглавление Л, 5

    Глава 4
    РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ...................206
        4.1. Поглощательная способность и степень черноты................207
        4.2. Закон Кирхгофа..............................................209
        4.3. Отражательная способность поверхностей......................211
        4.4. Соотношения между поглощательной способностью, степенью черноты и отражательной способностью.....................................215
        4.5. Интегральные степень черноты и поглощательная способность...216
        4.6. Расчет степени черноты и поглощательной способности.........218
        4.7. Измерение радиационных свойств поверхности..................221
        4.8. Селективные поверхности.....................................223
        4.9. Методы достижения селективности.............................227
       4.10. Оптимальные свойства селективной поверхности................232
       4.11. Угловая зависимость поглощательной способности в области солнечного спектра................................................232
       4.12. Поглощательная способность полостных приемников.............233
       4.13. Зеркально отражающие поверхности............................234
       Литература........................................................236

    Глава 5
    ПРОХОЖДЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ОСТЕКЛЕНИЕ: ПОГЛОЩЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ................................................239
        5.1. Отражение излучения.........................................239
        5.2. Поглощение излучения остеклением............................243
        5.3. Оптические свойства прозрачных покрытий.....................243
        5.4. Пропускание рассеянного излучения...........................249
        5.5. Приведенная поглощательная способность......................251
        5.6. Угловая зависимость (та)....................................253
        5.7. Спектральная зависимость пропускательной способности........253
        5.8. Влияние поверхностных слоев на пропускательную способность..256
        5.9. Поглощенное солнечное излучение.............................258
       5.10. Среднемесячное поглощенное солнечное излучение..............261
       5.11. Поглощательная способность помещений........................267
       5.12. Поглощательная способность фотоэлементов....................269
       5.13. Заключение..................................................273
       Литература........................................................273

    Глава 6
    ПЛОСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ.........................................275
        6.1. Описание плоских коллекторов................................276
        6.2. Основное уравнение энергетического баланса..................276
        6.3. Распределения температуры в плоских коллекторах.............278

_1 Оглавление

         6.4. Полный коэффициент тепловых потерь коллектора.................279
         6.5. Распределение температуры между трубами и коэффициент эффективности коллектора..........................................293
         6.6. Распределение температуры в направлении течения жидкости.....301
         6.7. Коэффициент отвода тепла от коллектора и коэффициент расхода...........................................................302
         6.8. Критический уровень солнечного излучения.....................306
         6.9. Средние температуры жидкости и панели .......................307
        6.10. Эффективная приведенная поглощательная способность...........308
        6.11. Влияние пыли и затенения.....................................311
        6.12. Влияние теплоемкости в плоских коллекторах...................313
        6.13. Геометрические формы поглощающей панели жидкостного коллектора.........................................................316
        6.14. Воздухонагреватели...........................................322
        6.15. Измерение характеристик коллектора...........................329
        6.16. Параметры, характеризующие коллектор.........................330
       6.17. Испытания коллектора: КПД, модификатор угла падения и постоянная времени................................................332
        6.18. Результаты испытаний.........................................342
        6.19. Преобразование результатов тепловых испытаний................345
        6.20. Поправки на расход в FR(та)п и FR UL.........................349
        6.21. Распределение расхода в солнечных коллекторах................352
        6.22. Характеристики коллектора в условиях эксплуатации............353
        6.23. Практические рекомендации по плоским коллекторам.............354
        6.24. Примеры......................................................358
        6.25. Заключение...................................................364
        Литература.........................................................364

    Глава 7
    КОНЦЕНТРИРУЮЩИЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ...................................368
         7.1. Конфигурации концентрирующих солнечных коллекторов...........369
         7.2. Коэффициент концентрации.....................................372
         7.3. Тепловые параметры коллекторов с концентраторами.............375
         7.4. Оптические характеристики концентрирующих солнечных коллекторов.......................................................382
         7.5. Массивы цилиндрических приемников............................383
         7.6. Оптические свойства неизображающих концентраторов............386
         7.7. Ориентация коллекторов с СРС и поглощенная ими энергия.......393
         7.8. Параметры коллекторов с СРС..................................398
         7.9. Линейные изображающие концентраторы: геометрия...............400
        7.10. Изображения, создаваемые идеальными линейными концентраторами....................................................403

Оглавление Л, 7

        7.11. Изображения, создаваемые неидеальными линейными концентраторами..................................................409
        7.12. Использование метода построения ходалучей для определения параметров концентраторов........................................411
        7.13. Модификаторы угла падения излучения и энергетические балансы.412
        7.14. Параболические концентраторы.................................418
        7.15. Системы с центральным приемником.............................419
        7.16. Практические соображения.....................................420
        Литература.........................................................422

    Глава 8
    АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ................................................424
        8.1. Графики нагрузки и выработки солнечного коллектора............425
        8.2. Аккумулирование энергии в солнечных энергоустановках..........426
        8.3. Водяной аккумулятор...........................................428
        8.4. Стратификация в водяном аккумуляторе..........................431
        8.5. Аккумуляторы с твердой насадкой...............................437
        8.6. Теплоаккумулирующие стены.....................................445
        8.7. Сезонное аккумулирование......................................447
        8.8. Аккумулирование тепла на основе фазовых переходов.............450
        8.9. Химические аккумуляторы энергии...............................455
        8.10. Электрохимические аккумуляторы...............................457
        Литература.........................................................459

    Глава 9
    НАГРУЗКИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ................................462
        9.1. Примеры нагрузок зависящих от времени........................463
        9.2. Нагрузки горячего водоснабжения...............................464
        9.3. Отопительные нагрузки, градусо-дни и температура равновесия...465
        9.4. Коэффициент тепловых потерь здания............................469
        9.5. Теплоаккумулирующая способностьздания.........................471
        9.6. Нагрузки охлаждения...........................................472
        9.7. Тепловые нагрузки плавательных бассейнов......................472
        Литература.........................................................475

    Глава 10
    ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ................................................477
        10.1. Модели основных компонент системы............................478
        10.2. Коэффициент эффективности теплообменника коллекторного контура..........................................................479
        10.3. Коэффициенты учета потерь в трубопроводах и воздуховодах.....481

_1 Оглавление

        10.4. Регуляторы.................................................484
        10.5. Массивы коллекторов: последовательное соединение...........486
        10.6. Характеристики частично затененных коллекторов.............488
        10.7. Массив последовательно соединенных по-разному ориентированных коллекторов......................................................491
        10.8. Использование модифицированных уравнений коллектора........493
        10.9. Модели систем..............................................497
       10.10. Доля покрытия и доля экономии..............................500
       10.11. Заключение ................................................502
       Литература........................................................502

    Глава 11
    ЭКОНОМИКА СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК.........................................503
        11.1. Затраты на солнечные энергоустановки.......................504
        11.2. Модельные переменные.......................................505
        11.3. Показатели экономической эффективности.....................506
        11.4. Дисконтирование и инфляция.................................508
        11.5. Выводы.....................................................510
        Литература........................................................510

Часть II
ПРИМЕНЕНИЯ

    Глава 12
    СОЛНЕЧНЫЙ НАГРЕВ ВОДЫ: АКТИВНЫЙ И ПАССИВНЫЙ..........................513
        12.1. Системы нагрева воды.......................................513
        12.2. Замерзание и кипение.......................................517
        12.3. Дополнительный нагрев......................................519
        12.4. Системы с принудительной циркуляцией.......................521
        12.5. Установки с малым расходом теплоносителя...................523
        12.6. Установки с естественной циркуляцией.......................524
        12.7. Солнечные водонагреватели аккумуляционного типа............526
        12.8. Реконструкция водонагревательных систем....................529
        12.9. Водонагреватели в системах отопления и охлаждения..........529
       12.10. Испытание и нормирование солнечных водонагревателей........530
       12.11. Экономика солнечного нагрева воды..........................530
       12.12. Подогрев воды в плавательных бассейнах.....................530
       12.13. Выводы.....................................................532
       Литература........................................................532

Оглавление -JU 9

    Глава 13
    ОТОПЛЕНИЕ ЗДАНИЙ: АКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ...................................534
       13.1. Исторические заметки........................................535
       13.2. Системы солнечного отопления................................536
       13.3. Жидкостная система теплоснабжения дома CSU-III с плоскими солнечными коллекторами...........................................542
       13.4. Воздушная система теплоснабжения дома CSU-II................546
       13.5. Параметрическое исследование системы отопления..............548
       13.6. Системы солнечного отопления с тепловыми насосами...........554
       13.7. Системы аккумулирования тепла на основе фазовых переходов...559
       13.8. Системы межсезонного аккумулирования энергии.................563
       13.9. Системы использования солнечной энергии и провальной электроэнергии....................................................567
      13.10. Перегрев системы солнечного отопления.......................569
      13.11. Экономика солнечного отопления..............................570
      13.12. Некоторые соображения об архитектуре зданий.................572
      Литература.........................................................575

    Глава 14
    ОТОПЛЕНИЕ ЗДАНИЙ: ПАССИВНОЕ И АКТИВНОЕ...............................577
       14.1. Концепции пассивного обогрева...............................578
       14.2. Критерии комфорта и отопительные нагрузки...................579
       14.3. Подвижная теплоизоляция и управление ею.....................579
       14.4. Затенение: навесы и козырьки................................580
       14.5. Системы с прямым облучением.................................584
       14.6. Стены и крыши типа солнечный коллектор-аккумулятор..........589
       14.7. Теплицы.....................................................593
       14.8. Гибридные системы с активными солнечными коллекторами и пассивным аккумулированием тепла................................595
       14.9. Другие гибридные системы....................................596
      14.10. Применения пассивных систем.................................597
      14.11. Перераспределение тепла в пассивных зданиях.................600
      14.12. Экономика пассивных систем солнечного отопления.............601
      Литература.........................................................601

    Глава 15
    СОЛНЕЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ.................................................603
       15.1. Солнечное абсорбционное охлаждение..........................604
       15.2. Теория абсорбционного охлаждения............................606
       15.3. Комбинированный солнечный нагрев и охлаждение...............612
       15.4. Моделирование солнечного кондиционера воздуха...............613

Оглавление

       15.5. Опыт эксплуатации солнечных холодильных установок..........617
       15.6. Применение солнечного абсорбционного охлаждения для кондиционирования воздуха...................................620
       15.7. Солнечное испарительное охлаждение.........................621
       15.8. Вентиляционные и рециркуляционные испарительные циклы......623
       15.9. Солнечно-механическое охлаждение...........................625
       15.10. Другие возможности «солнечного» кондиционирования воздуха.627
       15.11. Пассивное охлаждение......................................629
       Литература.......................................................629

    Глава 16
    СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛО В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВКАХ...........................631
       16.1. Интеграция с промышленными установками.....................632
       16.2. Особенности проектирования систем..........................632
       16.3. Экономика промышленных тепловых установок..................633
       16.4. Открытые системы подогрева воздуха.........................634
       16.5. Системы подогрева воздуха с рециркуляцией..................638
       16.6. Открытые системы нагрева воды в промышленности.............640
       16.7. Системы промышленного подогрева воды с рециркуляцией.......642
       16.8. Нагрев воды с помощью мелких солнечных прудов..............644
       16.9. Выводы.....................................................646
       Литература.......................................................646

    Глава 17
    СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ....................................................648
       17.1. Системы теплового преобразования энергии...................649
       17.2. Солнечная насосная установка...............................650
       17.3. Системы LUZ................................................651
       17.4. Электростанции с центральным приемником....................656
       17.5. Солнечные электростанции «SOLAR ONE» и «SOLAR TWO».........659
       Литература.......................................................660

    Глава 18
    СОЛНЕЧНЫЕ ПРУДЫ: ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ.............................662
       18.1. Солнечные пруды с градиентом концентрации соли.............662
       18.2. Теория солнечных прудов....................................664
       18.3. Практическое применение солнечных       прудов.............666
       18.4. Солнечная дистилляция......................................668
       18.5. Испарители.................................................673
       18.6. Прямая солнечная сушка.....................................675
       18.7. Заключение.................................................675
       Литература.......................................................675