Приемники и аккумуляторы теплового излучения Солнца

Московский государственный технический университет  
имени  Н.Э. Баумана 
 
В.Л. Иванов 
 
 
ПРИЕМНИКИ И АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОВОГО 
ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА 
 
Под редакцией М.И. Осипова 
 
 Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия по курсам 
«Источники, концентраторы, приемники энергии»,  
«Теплообменные аппараты» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 7 

УДК 621.311.24(075.8) 
ББК  31.27-01 
          И20 
 
 
 
Рецензенты: В.А. Буркальцев, О.Н. Емин 
И20 
  
Иванов В.Л.   
Приемники и аккумуляторы теплового излучения Солнца: 
Учеб. пособие по курсам «Источники, концентраторы, приемники энергии», «Теплообменные аппараты» / Под ред. 
М.И. Осипова. –  М.:  Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.   
68 с.: ил. 
 
ISBN 5-7038-2937-2 
 
Рассмотрены принципы работы и устройство приемников и аккумуляторов теплового излучения Солнца различного назначения, а также методы 
их расчета. 
Для студентов старших курсов.  
Ил. 27. Табл. 4. Библиогр. 14 назв. 
 
                                                                                
                                                                                                     УДК 621.311.24(075.8) 
                                                                                           ББК 31.27-01 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 5-7038-2937-2                                                   © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

1. СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ 
ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ РАЗЛИЧНОГО  
НАЗНАЧЕНИЯ 
 1.1. Характеристика солнечной радиации 
Стремление человека «приручить» солнечную энергию известно 
издревле. При раскопках Древнего Рима археологи обнаружили остатки городских бань, оборудованных системой воздуховодов горячего воздуха, который нагревался солнечным излучением. Низкие 
технологические возможности того периода позволяли использовать солнечное излучение на примитивном уровне. В последующие 
исторические периоды человечество научилось эффективно применять энергию сгорания естественного топлива ископаемого и растительного происхождения. И лишь последний исторический период 
отмечен существенным возрастанием интереса человечества к солнечной энергии. Этому в первую очередь способствуют просматриваемый в недалекой перспективе дефицит ископаемого топлива 
(нефть, газ, уголь), ухудшение экологического состояния планеты, 
интенсивное развитие космической техники, новые технологические возможности XXI столетия. 
  Характерными особенностями солнечного излучения являются малая плотность потока лучистой энергии, сезонные и суточные 
колебания, зависимость от погодных условий, а при космических 
полетах – полное отсутствие потока солнечного излучения, когда 
объект находится в тени Земли или другой планеты.  
При прохождении солнечных лучей через атмосферу до поверхности Земли доходит примерно 70 % энергии солнечного излучения, остальная поглощается и рассеивается в атмосфере. 
Плотность потока солнечного излучения в космосе на орбите 
Земли называется солнечной постоянной; ее значение, принятое в 
качестве стандарта для теплотехнических расчетов гелиосистем,  
равно I0 = 1353 Вт/м2. Эффективная солнечная постоянная, учитывающая сезонные изменения расстояния от Солнца до Земли, определяется выражением 
0эф
0
[1
0,033cos(365
/365 )]
,
I
n
I
=
+
D
D
  
где n – порядковый номер дня года начиная с 1 января. 
 
3

 Часть спектра солнечного излучения, содержащая около 97 % 
энергии, относится к коротковолновой части (длина волны  
0,3…2,5 мкм). Среднесуточный приход солнечной энергии к поверхности Земли зависит от широты местности и времени года. 
Так, при увеличении от 25º северной широты до 55º плотность 
солнечного потока в январе уменьшается в 3,9 раза. Напротив, в 
летнее время для этого диапазона широты различие в значениях 
плотности радиации не превышает 3 %. Максимальный уровень 
солнечной радиации приходится на июнь. Суточные колебания 
плотности солнечного потока иллюстрируются данными табл. 1.1.  
Таблица 1.1 
 Плотность солнечного потока на горизонтальной поверхности  
Земли в ясный летний день на широте 40о 
Время суток, ч   
  
0эф,
I
Вт/м2 
Время суток, ч 
0эф,
I
 Вт/м2 
15 
18 
675 
46,5 
6 
10 
12 
46,5 
675 
948 
 
Низкая плотность прямого солнечного излучения требует 
большой площади лучевоспринимающей поверхности приемного 
устройства. Так, для энергоустановки мощностью 10 МВт при 
КПД энергопреобразователя 35 % и плотности солнечного пото- 
ка 900 Вт/м2 площадь поверхности теплоприемника превышает  
31 тыс. м2. 
1.2. Реализуемая температура на теплоприемнике  
как определяющий фактор выбора способа утилизации  
солнечной энергии 
  Тепловой баланс теплоприемника, расположенного на поверхности Земли, можно представить выражением 
4
4
п
п
0
п
а
п
0
{
(
)
(
)},
Q
aE
F
T
Т
Т
Т
=
−
εσ
−
+ α
−
           (1.1)  
где Qп – теплота, поглощенная теплоприемником, Вт; а – коэффициент поглощения;  Е – поток солнечной энергии, поступающий к 
поверхности теплоприемника; Fп – поверхность теплоприемни- 
ка, м2; ε – степень черноты поверхности; σ0 = 5,7⋅10–8 Вт/(м2⋅K4) – 
 
4

константа Стефана – Больцмана; Тп – температура поверхности 
приемника, K; Та = 230 K – условная температура верхних  
слоев атмосферы; α  – коэффициент конвективной теплоотдачи, 
Вт/(м2⋅K); Т0  – температура окружающей среды, K. 
Первое слагаемое в правой части выражения (1.1) характеризует  лучистую энергию, поглощенную поверхностью теплоприемника, второе – энергию обратного излучения с поверхности, третье 
– теплорассеивание с поверхности приемника в окружающую среду за счет тепловой конвекции.  
Для теплоприемника космического аппарата в уравнении теплового баланса отсутствуют составляющие, характеризующие тепловое взаимодействие поверхности приемника с атмосферой: 
4
п
п
0 п.
Q
aE
F
Т
=
−
εσ
                                  (1.2) 
В общем случае 
п
п
0эф к
к
п
0эф п
к
к
п;
Q
E
I
F
I
F C
=
η =
η η =
η η
             (1.3) 
к
п
к
/
,
F
F
C
=
                                     (1.4) 
где ηп – КПД приемника излучения; Fк – лучевоспринимающая 
площадь поверхности концентратора, м2; ηк – КПД концентратора; 
Ск – коэффициент концентрации радиационного потока.  
На основании анализа уравнения (1.1) с учетом (1.3) и (1.4) 
можно в явной форме представить выражение КПД приемника: 
1
4
4
п
0эф
к
к
0
п
a
п
0
(
)
[
(
)
(
)].
a
I
С
T
T
T
T
−
η =
−
η
εσ
−
+ α
−
        (1.5) 
В частном случае при α = 0, ηк = ε = 1 из (1.5) можно определить температуру приемника 
4 0,25
п
п
0
к 0эф
а
{[(
)/
]
}
.
T
a
C I
T
=
−η
σ
+
                (1.6) 
Очевидно, что максимальная температура поверхности приемника будет достигнута, если потребитель теплоты отключен, т. е. 
ηп = 0, а также а = 1. 
Соответственно для наземного приемника при Ск = 1,  
I0эф 
= 
900 
Вт/м2 
максимальная 
температура 
приемника  
 
5

Тп max = 369,2 K, а для приемника в космосе на орбите Земли  
Тп max = 392,5 K.  Приведенные результаты показывают, что приемлемый для энергетических установок уровень температуры на 
приемнике может быть реализован только при использовании 
сконцентрированного солнечного излучения. Например, при  
Ск = 10 000 максимальная температура приемника в космосе возрастает уже до 3925 K. 
  В 1880 году русский ученый К. Цесарский создал солнечную 
плавильную установку с параболическим концентратором солнечного излучения, в фокусе которого был размещен тигель для плавления металла. В 1968 году во Франции была создана солнечная 
плавильная печь мощностью 1 МВт с параболическим концентратором (диаметр концентратора 54 м). В зоне фокального пятна 
концентратора температура достигала 3500 K. Новые технологические возможности XIX и XX столетий открывали пути к практическому использованию солнечной энергии. Первые солнечные 
паровые и воздушные энергоустановки появились во второй половине XIX столетия в Швеции, Франции, США; гелиоэнергетическая установка мощностью 45 кВт в 1912 году была построена в 
Египте.  
В зависимости от уровня реализуемой температуры на теплоприемнике и мощности энергопреобразователя гелиотехнические 
устройства можно разделить на три группы. 
1. Маломощные низкотемпературные устройства, в которых 
используется прямое (несконцентрированное) солнечное излучение. Это солнечные системы тепло- и хладоснабжения жилых и 
промышленных сооружений. К этой же группе относятся солнечные электростанции типа «Солнечная труба» (Solar Chimney) разной мощности. 
2. Среднетемпературные энергетические установки, в которых 
используется сконцентрированное (коэффициент концентрации  
Ск < 1000) солнечное излучение. В основном это энергоустановки, 
работающие по циклу Ренкина. Максимальные температуры теплового цикла обычно не превышают 800 K. 
3. Высокотемпературные энергоустановки, в которых используется сконцентрированное (коэффициент концентрации  1000 <  
< Ск < 10 000) солнечное излучение. Это энергоустановки, работающие по циклам Брайтона, Стирлинга и другим высокотемпературным циклам. Максимальная температура теплового цикла, как 
правило, выше 1000 K и может превышать 2000 K. 
 
6

1.3. Некоторые примеры теплотехнических устройств  
для преобразования солнечной энергии 
На рис. 1.1 приведена характерная схема солнечной системы 
тепло-  и хладоснабжения жилого комплекса. Основой системы 
является солнечный коллектор, в котором осуществляется нагрев 
воды прямым солнечным излучением. Вода нагревается до 
340…360 K. Часть потока горячей воды поступает в бакаккумулятор, а другая его часть направляется на энергопотребление системы отопления (в летнее время системы кондиционирования) и к абсорбционной холодильной установке. Подобные установки в рамках программы «Солнечный дом» внедряются в Японии. Более упрощенные варианты систем горячего водоснабжения 
широко используются в странах экваториального пояса, странах 
Средиземноморья.  
Рис. 1.1. Солнечная система тепло- и хладоснабжения жилого дома:  
1 – солнечный коллектор; 2 – циркуляционный насос; 3 – бойлер с электроподогревом; 4 – накопительный теплообменник горячей воды; 5 – высокотемпературный аккумуляторный бак; 6 – кран горячего водоснабжения; 7 – холодильник; 8 – низкотемпературный аккумуляторный бак; 9 – абсорбционная холодильная установка; 10 – теплообменник нагрева воздуха; 11 – снабжение  
  воздухом потребителя; 12 – рециркуляция воздуха; 13 – забор свежего воздуха 
В настоящее время отмечено увеличение количества солнечных водонагревателей в странах Центральной Европы. Так, в 
1994–1999 годах количество проданных солнечных водонагревателей ежегодно возрастало на 18 %, а общая площадь коллекторов 
в 1999 году превысила 8,5⋅106 м2. В Турции государственное законодательство предписывает все вновь вводимые здания жилого 
и туристического сектора оснащать солнечными системами горячего водоснабжения.    
 
7