Солнечное тепло: горячее водоснабжение и отопление. Солнечное отопление частного дома своими руками Солнечная энергия в системах теплоснабжения

Основным элементом систем активного теплоснабжения является солнечный коллектор (СК) В современных низкотемпературных системах теплоснабжения (до 100 °С), применяющихся для преобразования солнечной энергии в низкопотенциальное тепло для горячего водоснабжения, отопления и других тепловых процессов, используют так называемый плоский коллектор, представляющий собой гелиоприемный абсорбер, по которому циркулирует теплоноситель; конструкция теплоизолирована с тыльной и застеклена с лицевой стороны.

В системах высокотемпературного теплоснабжения (выше 100 °С) применяют высокотемпературные солнечные коллекторы. В настоящее время наиболее эффективным из них считается концентрирующий солнечный коллектор Луза, представляющий собой параболический желоб с черной трубкой в центре, на которую концентрируется солнечное излучение. Такие коллекторы очень эффективны в случаях, когда необходимо создавать температурные условия выше 100 °С для промышленности или ятя производства пара в электроэнергетике. Они используются на некоторых солнечных тепловых станциях в Калифорнии; для северной Европы они являются недостаточно эффективными, так как не могут использовать рассеянную солнечную радиацию.

Мировой опыт . В Австралии на надеван не жидкости до температуры ниже 100 °С расходуется около 20 % общей потребляемой энергии. Установлено, что для обеспечения теплой водой 80 % сельских жилых домов на 1 человека необходимо 2…3 м2 поверхности солнечного коллектора и бак для воды емкостью 100… 150 литров. Широким спросом пользуются установки с площадью 25 м2 и бойлером для воды на 1000…1500 л, обеспечивающие теплой водой 12 человек.

В Великобритании жители сельской местности на 40…50 % удовлетворяют потребности в тепловой энергии за счет использования излучения Солнца.

В Германии на исследовательской станции под Дюссельдорфом апробирована активная солнечная водонагревательная установка (площадь коллекторов 65 м2), позволяющая получать в среднем за год 60 % необходимого тепла, а летом 80…90 %. В условиях Германии семья, состоящая из 4-х человек, может полностью обеспечить себя теплом при наличии энергетической крыши площадью 6…9 м2.

Наиболее широко тепловая энергия Солнца применяется для обогрева теплиц и создания в них искусственного климата; несколько способов использования солнечной энергии в таком направлении испытано в Швейцарии.

В Германии (г. Ганновер) в Институте техники, садоводства и сельского хозяйства исследуется возможность использования солнечных коллекторов, размещенных рядом с теплицей или вмонтированных в ее конструкцию, а также самих теплиц как солнечного коллектора с использованием подкрашенной жидкости, пропускающейся через двойное покрытие теплицы и нагревающейся солнечным излучением Результаты исследований показали, что в климатических условиях Германии нагрев с использованием только солнечной энергии на протяжении всего года не полностью удовлетворяет потребности в тепле. Современные солнечные коллекторы в условиях Германии могут обеспечить потребности сельского хозяйства в теплой воде летом на 90 %, зимой на 29…30 % и в переходный период - на 55…60 %.

Активные солнечные отопительные системы наиболее распространены в Израиле, Испании, на острове Тайвань, в Мексике и Канаде. Только в Австралии более 400 000 домов имеют солнечные водонагреватели. В Израиле больше 70 % всех односемейных домов (около 900 000) оборудованы солнечными водонагревателями с солнечными коллекторами общей площадью 2,5 млн м2, что обеспечивает возможность ежегодной экономии топлива в количестве около 0,5 млн т н.э.

Конструктивное усовершенствование плоских СК происходит по двум направлениям:

• поиск новых неметаллических конструкционных материалов;
• усовершенствование оптико-тепловых характеристик наиболее ответственного узла абсорбер-светопроницаемый элемент.

27.09.2019

Классификация и основные элементы гелиосистем

Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента - гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор, рисунок 1).

В пассивных гелиосистемах использование солнечной энергии осуществляется исключительно за счет архитектурно-конструктивных решений зданий.

В пассивной системе солнечного низкотемпературного отопления здание-коллектор солнечная радиация, проникая через световые проемы в помещение, попадает как бы в тепловую ловушку. Коротковолновое солнечное излучение свободно проходит через оконное стекло и попадая на внутренние ограждения помещения, преобразуется в теплоту. Вся солнечная радиация, попавшая в помещение, преобразуется в нем в теплоту и способна частично или полностью компенсировать его тепловые потери.

Для повышения эффективности работы системы здание-коллектор световые проемы большой площади помещают на южном фасаде, снабжая их жалюзи, которые при закрытии должны препятствовать в темное время суток потерям с противоизлучением, а в жаркий период в сочетании с другими солнцезащитными устройствами - перегреву помещения. Внутренние поверхности окрашивают в темные тона.

Задачей расчета при данном способе обогрева является определение необходимой площади световых проемов для пропускания в помещение потока солнечной радиации, необходимого с учетом аккумулирования для компенсации тепловых потерь. Как правило, мощности пассивной системы здание-коллектор в холодный период оказывается недостаточно, и в здании устанавливают дополнительный теплоисточник, превращая систему в комбинированную. Расчетом при этом определяют экономически целесообразные площади световых проемов и мощность дополнительного теплоисточника.

Пассивная солнечная система воздушного низкотемпературного отопления «стена–коллектор» включает массивную наружную стену, перед которой на небольшом расстоянии устанавливают лучепрозрачный экран с жалюзи. У пола и под потолком в стене устраивают щелевидные отверстия с клапанами. Солнечные лучи, пройдя через лучепрозрачный экран, поглощаются поверхностью массивной стены и преобразуются в теплоту, которая конвекцией передается воздуху, находящемуся в пространстве между экраном и стеной. Воздух нагревается и поднимается вверх, попадая через щелевое отверстие под потолком в обслуживаемое помещение, а его место занимает остывший воздух из помещения, проникающий в пространство между стеной и экраном через щелевое отверстие у пола помещения. Подача нагретого воздуха в помещение регулируют открытием клапана. Если клапан закрыт, происходит аккумуляция теплоты массивом стены. Эту теплоту можно отобрать конвективным потоком воздуха, открывая клапан в ночное время или в пасмурную погоду.

При расчете такой системы пассивного низкотемпературного солнечного воздушного отопления определяют необходимую площадь поверхности стены. Данную систему также дублируют дополнительным источником теплоты.

Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

• по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);
• по виду используемого теплоносителя (жидкостные - вода, антифриз и воздушные);
• по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);
• по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Для активных систем солнечного отопления применяют гелиоприемники двух типов: концентрирующие и плоские.

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух - малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами. Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0 ◦ C в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.

Солнечная водонагревательная установка СВУ (рисунок 2) состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией Солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бакаккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический или какой-либо другой автоматический нагреватель-дублер. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре - водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах - вода, а в контуре потребителя - воздух). Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рисунке 3. Она включает три контура циркуляции:

• первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;
• второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;
• третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака аккумулятора осуществляется из водопровода. Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6. Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

На рисунке 4 приведена схема системы солнечного отопления энергоэффективного экологически чистого дома.

В системе в качестве теплоносителя используют: воду при плюсовых температурах и антифриз в отопительный период (солнечный контур), воду (второй контур напольного отопления) и воздух (третий контур воздушного солнечного отопления).

В качестве дублирующего источника использован электрокотел, а для аккумулирования тепла на одни сутки используется аккумулятор объемом 5 м 3 с насадкой из гальки. Один кубометр гальки аккумулирует в среднем за день 5 МДж тепла.

Низкотемпературные системы аккумулирования теплоты охватывают диапазон температур от 30 до 100 ◦C и используются в системах воздушного (30 ◦ C) и водяного (30–90 ◦ C) отопления и горячего водоснабжения (45–60 ◦ C).

Система аккумулирования теплоты, как правило, содержит резервуар, теплоаккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется накопление и хранение тепловой энергии, теплообменные устройства для подвода и отвода теплоты при зарядке и разрядке аккумулятора и тепловую изоляцию.

Аккумуляторы можно классифицировать по характеру физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах:

1. аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого материала (галька, вода, водные растворы солей и др.);
2. аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;
3. аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.

Наиболее широко распространены аккумуляторы теплоты емкостного типа.

Количество теплоты Q (кДж), которое может быть накоплено в аккумуляторе теплоты емкостного типа, определяется по формуле

Наиболее эффективным теплоаккумулирующим материалом в жидкостных солнечных системах теплоснабжения является вода. Для сезонного аккумулирования теплоты перспективно использование подземных водоемов, грунта горной породы и других природных образований.

Концентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или параболические зеркала (рисунок 5.), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 ◦ C) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет солнечной энергии. Область применения плоских солнечных коллекторов - системы отопления жилых и производственных зданий, системы кондиционирования, системы горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом, работающие обычно по циклу Ренкина. Плоские солнечные коллекторы (рисунки 6 и 7) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к Солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения. Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70–80 ◦ C, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к увеличению конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение Солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции наоснове «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие - дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

Принцип действия коллектора основан на том, что он воспринимает солнечную радиацию с достаточно высоким коэффициентом поглощения видимого солнечного света и имеет сравнительно низкие тепловые потери, в том числе за счет низкого коэффициента пропускания светопрозрачного стеклянного покрытия для теплового излучения при рабочей температуре. Ясно, что температура получаемого теплоносителя определяется тепловым балансом коллектора. Приходную часть баланса представляет тепловой поток солнечного излучения с учетом оптического КПД коллектора; расходная часть определяется извлекаемым полезным теплом, суммарным коэффициентом тепловых потерь и разностью рабочей температуры и окружающей среды. Совершенство коллектора определяется его оптическим и тепловым КПД.

Оптический КПД η о показывает, какая часть солнечной радиации, достигшей поверхности остекления коллектора, оказывается поглощенной абсорбирующей излучение черной поверхностью, и учитывает потери энергии, связанные с поглощением в стекле, отражением и отличием коэффициента теплового излучения абсорбирующей поверхности от единицы.

Простейший солнечный коллектор с одностекольным светопрозрачным покрытием, пенополиуретановой изоляцией остальных поверхностей и абсорбером, покрытым черной краской, имеет оптический КПД около 85%, а коэффициент тепловых потерь порядка 5–6 Вт/(м 2 · К) (рис. 7). Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя образует единый конструктивный элемент - абсорбер. Такой коллектор летом в средних широтах может нагреть воду до 55–60 ◦ C и имеет дневную производительность в среднем 70–80 л воды с 1 м 2 поверхности нагревателя.

Для получения более высоких температур применяют коллекторы из вакуумированных труб с селективным покрытием (рисунок 8).

В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечное излучение, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством (каждый элемент абсорбера помещается в отдельную стеклянную трубу, внутри которой создается вакуум), что позволяет практически полностью устранить потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются за счет применения селективного покрытия. В вакуумном коллекторе теплоноситель можно нагреть до 120–150 ◦C. КПД вакуумного коллектора существенно выше, чем плоского коллектора, но и стоит он значительно дороже.

Эффективность работы гелиоэнергетических установок во многом зависит от оптических свойств поверхности, поглощающей солнечное излучение. Для сведения к минимуму потерь энергии необходимо, чтобы в видимой и ближней инфракрасных областях солнечного спектра коэффициент поглощения этой поверхности был как можно ближе к единице, а в области длин волн собственного теплового излучения поверхности к единице должен стремиться коэффициент отражения. Таким образом, поверхность должна обладать селективными свойствами - хорошо поглощать коротковолновое излучение и хорошо отражать длинноволновое.

По типу механизма, ответственного за избирательность оптических свойств, различают четыре группы селективных покрытий:

1. собственные;
2. двухслойные, у которых верхний слой обладает большим коэффициентом поглощения в видимой области спектра и малым - в инфракрасной области, а нижний слой - высоким коэффициентом отражения в инфракрасной области;
3. с микрорельефом, обеспечивающим требуемый эффект;
4. интерференционные.

Собственной избирательностью оптических свойств обладает небольшое число известных материалов, например W, Cu 2 S, HfC.

Наибольшее распространение получили двухслойные селективные покрытия. На поверхность, которой необходимо придать селективные свойства, наносится слой с большим коэффициентом отражения в длинноволновой области спектра, например медь, никель, молибден, серебро, алюминий. Поверх этого слоя наносится слой, прозрачный в длинноволновой области, но имеющий высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Такими свойствами обладают многие окислы.

Селективность поверхности может быть обеспечена за счет чисто геометрических факторов: неровности поверхности должны быть больше длины волны света в видимой и ближней инфракрасной областях спектра и меньше длины волны, соответствующей собственному тепловому излучению поверхности. Такая поверхность для первой из указанных областей спектра будет черной, а для второй - зеркальной.

Селективными свойствами обладают поверхности с дендритной или пористой структурой при соответствующих размерах дендритных игл или пор.

Интерференционные селективные поверхности образованы несколькими перемежающимися слоями металла и диэлектрика, в которых коротковолновое излучение гасится за счет интерференции, а длинноволновое - свободно отражается.

Масштабы использования солнечных систем теплоснабжения

По данным МЭА к концу 2001 г. суммарная площадь установленных коллекторов в 26 странах, наиболее активных в этом отношении, составила около 100 млн м 2 , из которых 27,7 млн м 2 приходится на долю неостекленных коллекторов, в основном используемых для подогрева воды в бассейнах. Остальные - плоские остекленные коллекторы и коллекторы с вакуумироваными трубами, - использовались в системах ГВС или для отопления помещений. По площади установленных коллекторов, приходящейся на 1000 жителей, лидируют Израиль (608 м 2), Греция (298) и Австрия (220). Следом идут Турция, Япония, Австралия, Дания и Германия с удельной площадью установленных коллекторов 118–45 м 2 /1000 жителей.

Общая площадь солнечных коллекторов, установленных к концу 2004 г., в странах ЕС достигла 13,96 млн м2, а в мире уже превысила 150 млн м 2 . Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12 %, а в отдельных странах находится на уровне 28–30% и более. Мировой лидер по количеству коллекторов на тысячу жителей - Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м 2 солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия - 47%, далее следует Греция - 14%, Австрия -12 %, Испания - 6 %, Италия - 4 %, Франция - 3 %. Европейские страны - бесспорные лидеры в разработке новых технологий систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объемах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок.

Из общей площади солнечных коллекторов, установленных в мире в 2004 г., 78% установлено в Китае. Рынок СВУ в Китае в последнее время растет с темпом 28% в год.

В 2007 г. общая площадь солнечных коллекторов, установленных в мире, уже составляла 200 млн м2, в том числе в Европе - более 20 млн м 2 .

Сегодня на мировом рынке стоимость СВУ (рисунок 9), включающей коллектор площадью 5–6м 2 , бак-аккумулятор емкостью около 300 л и необходимую арматуру, составляет 300–400 $ США в расчете на 1 м 2 коллектора. Такие системы преимущественно устанавливаются в индивидуальных одно- и двухсемейных домах и имеют резервный нагреватель (электро- или газовый). При установке бака-аккумулятора выше коллектора система может работать на естественной циркуляции (термосифонный принцип); при установке бака-аккумулятора в подвале - на принудительной.

В мировой практике наиболее широко распространены малые системы солнечного теплоснабжения. Как правило, такие системы включают в себя солнечные коллекторы общей площадью 2–8 м 2 , бак-аккумулятор, емкость которого определяется площадью установленных коллекторов, циркуляционный насос (в зависимости от типа тепловой схемы) и другое вспомогательное оборудование.

Активные системы большого размера, в которых бак-аккумулятор находится ниже коллекторов и циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса, применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления. Как правило, в активных системах, участвующих в покрытии части нагрузки отопления, предусматривается дублирующий источник тепла, работающий на электроэнергии или газе.

Сравнительно новое явление в практике использования солнечного теплоснабжения - крупные системы, способные обеспечить нужды горячего водоснабжения и отопления многоквартирных домов или целых жилых кварталов. В таких системах предусмотрено либо суточное, либо сезонное аккумулирование тепла. Суточное аккумулирование предполагает возможность работы системы с расходованием тепла, накопленного в течение нескольких суток, сезонное - в течение нескольких месяцев. Для сезонного аккумулирования тепла используют большие подземные резервуары, наполненные водой, в которые сбрасываются все излишки тепла, получаемого от коллекторов в течение лета. Другой вариант сезонного аккумулирования - прогрев грунта с помощью скважин с трубами, по которым циркулирует горячая вода, поступающая от коллекторов.

В таблице 1 приведены основные параметры крупных солнечных систем с суточным и сезонным аккумулированием тепла в сравнении с малой солнечной системой для односемейного дома.

Таблица 1. — Основные параметры солнечных систем теплоснабжения

В настоящее время в Европе функционируют 10 солнечных систем теплоснабжения с площадью коллекторов от 2400 до 8040 м 2 , 22 системы с площадью коллекторов от 1000 до 1250 м 2 и 25 систем с площадью коллекторов от 500 до 1000 м 2 . Ниже приведены характеристики для некоторых крупных систем.

Hamburg (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 14800 м 2 . Площадь солнечных коллекторов - 3000 м 2 . Объем водяного аккумулятора тепла - 4500 м 3 .

Fridrichshafen (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 33000 м 2 . Площадь солнечных коллекторов - 4050 м 2 . Объем водяного аккумулятора тепла - 12000 м 3 .

Ulm-am-Neckar (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 25000 м 2 . Площадь солнечных коллекторов - 5300 м 2 . Объем грунтового аккумулятора тепла - 63400 м 3 .

Rostock (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 7000 м 2 . Площадь солнечных коллекторов - 1000 м 2 . Объем грунтового аккумулятора тепла - 20000 м 3 .

Hemnitz (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 4680 м 2 . Площадь вакуумных солнечных коллекторов - 540 м 2 . Объем гравийно-водяного аккумулятора тепла - 8000 м 3 .

Attenkirchen (Германия). Площадь отапливаемых помещений - 4500 м 2 . Площадь вакуумных солнечных коллекторов - 800 м 2 . Объем грунтового аккумулятора тепла - 9850 м 3 .

Saro (Швеция). Система состоит из 10 небольших домов, включающих 48 квартир. Площадь солнечных коллекторов - 740 м 2 . Объем водяного аккумулятора тепла - 640 м 3 . Солнечная система покрывает 35% общей тепловой нагрузки системы теплоснабжения.

В настоящее время в России существует несколько фирм, выпускающих солнечные коллекторы, пригодные для надежной эксплуатации. Основные из них - это Ковровский механический завод, НПО Машиностроение и ЗАО АЛЬТЭН.

Коллекторы Ковровского механического завода (рисунок 10), не имеющие селективного покрытия, дешевые и простые по конструкции, ориентированы в основном на внутренний рынок. В Краснодарском крае в настоящее время установлено более 1500 коллекторов такого типа.

Коллектор НПО Машиностроения по характеристикам близок к европейским стандартам. Абсорбер коллектора выполнен из алюминиевого сплава с селективным покрытием и рассчитан главным образом на работу в двухконтурных схемах теплоснабжения, поскольку прямой контакт воды с алюминиевыми сплавами может привести к питинговой коррозии каналов, по которым проходит теплоноситель.

Коллектор АЛЬТЭН-1 имеет совершенно новую конструкцию и удовлетворяет европейским стандартам, его можно использовать как в одноконтурных, так и двухконтурных схемах теплоснабжения. Коллектор отличается высокими теплотехническими характеристиками, широким диапазоном возможных применений, малым весом и привлекательным дизайном.

Опыт эксплуатации установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов, связанная с селективными покрытиями, повышением прозрачности остекления, вакуумированием и т. д. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м 2).

Эффективное использование солнечной энергии

В жилых и административных зданиях солнечную энергию в основном используют в форме тепла для удовлетворения нужд в горячем водоснабжении, отоплении, охлаждении, вентиляции, сушки и т. п.

Использование солнечного тепла с экономической точки зрения наиболее выгодно при создании систем горячего водоснабжения и в близких к ним по техническому воплощению установках для подогрева воды (в бассейнах, промышленных устройствах). Горячее водоснабжение необходимо в каждом жилом доме, и, поскольку потребности в горячей воде относительно мало меняются в течение года, эффективность таких установок высокая и они быстро окупаются.

Что касается систем солнечного отопления, то период их использования в течение года короткий, в отопительный период интенсивность солнечного излучения низкая и соответственно площадь коллекторов значительно больше, чем в системах горячего водоснабжения, и экономическая эффективность ниже. Обычно при проектировании совмещают систему солнечного отопления и горячего водоснабжения.

В системах солнечного охлаждения период эксплуатации еще ниже (три летних месяца), что влечет к продолжительному простою оборудования и очень низкому коэффициенту их использования. С учетом высокой стоимости оборудования для охлаждения экономическая эффективность систем становится минимальной.

Годовой коэффициент использования оборудования в комбинированных системах теплохладоснабжения (горячее водоснабжение, отопление и охлаждение) получается наиболее высоким, и эти системы на первый взгляд более выгодны, чем комбинированные системы отопления и горячего водоснабжения. Однако если при этом учесть стоимость необходимых солнечных коллекторов и механизмов системы охлаждения, то окажется, что такие солнечные установки будут очень дорогими и едва ли станут экономически выгодными.

При создании систем солнечного отопления следует применять пассивные схемы, предусматривающие повышение теплоизоляции здания и эффективное использование поступающего через оконные проемы солнечного излучения. Проблему теплоизоляции необходимо решать на основе архитектурно-конструктивных элементов, с использованием малотеплопроводных материалов и конструкций. Недостающее тепло рекомендуется восполнять при помощи активных солнечных систем.

Экономические характеристики солнечных коллекторов

Основная проблема широкого использования солнечных установок связана с их недостаточной экономической эффективностью по сравнению с традиционными системами теплоснабжения. Стоимость тепловой энергии в установках с солнечными коллекторами выше, чем в установках с традиционными топливами. Срок окупаемости солнечной тепловой установки T ок можно определить по формуле:

Экономический эффект установки солнечных коллекторов в зонах централизованного энергоснабжения Э может быть определен как доход от продажи энергии в период всего срока службы установки за вычетом издержек эксплуатации:

В таблице 2 представлена стоимость систем солнечного теплоснабжения (в ценах 1995 г.). Данные показывают, что отечественные разработки в 2,5–3 раза дешевле зарубежных.

Низкая цена отечественных систем объясняется тем, что они выполнены из дешевых материалов, просты по конструкции и ориентированы на внутренний рынок.

Таблица 2. — Стоимость систем солнечного теплоснабжения

Удельный экономический эффект (Э/S) в зоне централизованного теплоснабжения, в зависимости от срока службы коллекторов, составляет от 200 до 800 руб/м 2 .

Гораздо больший экономический эффект имеют установки теплоснабжения с солнечными коллекторами в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, которые в России составляют свыше 70% ее территории с населением около 22 млн человек. Эти установки предназначены для работы в автономном режиме на индивидуальных потребителей, где потребности в тепловой энергии весьма значительны. В то же время стоимость традиционных топлив намного выше их стоимости в зонах централизованного теплоснабжения из-за транспортных расходов и потерь топлива при транспортировке, т. е. в стоимость топлива в регионе Ц тр включается региональный фактор r р:

где r р > 1 и для различных регионов может изменять свою величину. В то же время удельная стоимость установки C почти не изменяется в сравнении с Ц тр. Поэтому при замене Ц т на Ц тр в формулах

рассчитываемый срок окупаемости автономных установок в зонах, удаленных от централизованных сетей, уменьшается в r р раз, а экономический эффект возрастает пропорционально r р.

В сегодняшних условиях России, когда цены на энергоносители постоянно растут и имеют неравномерность по регионам из-за условий транспортировки, решение вопроса об экономической целесообразности использования солнечных коллекторов сильно зависит от местных социально-экономических, географических и климатических условий.

Солнечно-геотермальная система теплоснабжения

С точки зрения бесперебойного обеспечения потребителя энергией наиболее эффективны комбинированные технологические системы, использующие два и более вида ВИЭ.

За счет солнечной тепловой энергии можно полностью обеспечить потребности в горячей воде в доме в летнее время. В осенне-весенний период от Солнца можно получить до 30% требуемой энергии на отопление и до 60% от потребностей на горячее водоснабжение.

В последние годы активно развиваются геотермальные системы теплоснабжения на основе тепловых насосов. В таких системах, как отмечалось выше, в качестве первичного источника тепла используется низкопотенциальная (20–40 ◦ C) термальная вода или петротермальная энергия верхних слоев земной коры. При использовании тепла грунта применяются грунтовые теплообменники, размещаемые либо в вертикальных скважинах глубиной 100–300 м, либо на некоторой глубине горизонтально.

Для эффективного обеспечения теплом и горячей водой децентрализованных потребителей небольшой мощности в ИПГ ДНЦ РАН разработана комбинированная солнечно-геотермальная система (рисунок 11).

Такая система состоит из солнечного коллектора 1, теплообменника 2, бака-аккумулятора 3, теплового насоса 7 и скважины-теплообменника 8. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией Солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник 2, вмонтированный в бак-аккумулятор 3. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор вмонтирован и электрический нагреватель 6. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) электронагреватель автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

Блок солнечного коллектора эксплуатируется круглогодично и обеспечивает потребителя горячей водой, а блок низкотемпературного напольного отопления с тепловым насосом (ТН) и скважиной-теплообменником глубиной 100–200 м включается в эксплуатацию только в отопительный период.

В цикле ТН холодная вода с температурой 5 ◦ C опускается в межтрубном пространстве скважины-теплообменника и отбирает низкопотенциальное тепло с окружающей горной породы. Далее нагретая в зависимости от глубины скважины до температуры 10–15 ◦ C вода поднимается по центральной колонне труб на поверхность. Для предотвращения обратного оттока тепла центральная колонна снаружи теплоизолирована. На поверхности вода из скважины поступает в испаритель ТН, где происходит нагрев и испарение низкокипящего рабочего агента. После испарителя охлажденная вода вновь направляется в скважину. За отопительный период при постоянной циркуляции воды в скважине происходит постепенное охлаждение горной породы вокруг скважины.

Расчетные исследования показывают, что радиус фронта охлаждения за отопительный период может достигать 5–7 м. В межотопительный период, когда система отопления отключается, происходит частичное (до 70%) восстановление температурного поля вокруг скважины за счет притока тепла от пород вне зоны охлаждения; достичь полного восстановления температурного поля вокруг скважины за время ее простоя не удается.

Солнечные коллекторы устанавливаются из расчета для зимнего периода эксплуатации системы, когда солнечное сияние минимальное. В летний период часть горячей воды из бака-аккумулятора направляется в скважину для полного восстановления температуры в горной породе вокруг скважины.

В межотопительный период вентили 13 и 14 закрыты, и при открытых вентилях 15 и 16 горячая вода из бака аккумулятора циркуляционным насосом закачивается в межтрубное пространство скважины, где по мере спуска происходит теплообмен с окружающей скважину горной породой. Далее охлажденная вода по центральной теплоизолированной колонне направляется обратно в бак-аккумулятор. В отопительный период наоборот вентили 13 и 14 открыты, а вентили 15 и 16 закрыты.

В предложенной технологической системе потенциал солнечной энергии используется на нагрев воды в системе горячего водоснабжения и горных пород вокруг скважины в системе низкотемпературного отопления. Регенерация тепла в горной породе позволяет эксплуатировать систему теплоснабжения в экономически оптимальном режиме.

Солнечные тепловые электростанции

Солнце – значительный источник энергии на планете Земля. Солнечная энергетика очень часто становится предметом самых разнообразных дискуссий. Как только появляется проект новой солнечной электростанции, возникают вопросы об эффективности, мощности, объемах инвестированных средств и сроках окупаемости.

Есть ученые, которые видят в солнечных тепловых электростанциях угрозу для окружающей среды. Использующиеся в тепловых солнечных электростанциях зеркала очень сильно нагревают воздух, что приводит к изменению климата и к смерти птиц, пролетающих мимо. Несмотря на это, в последние годы солнечные тепловые электростанции получают все большее распространение. В 1984 году вступила в строй первая солнечная электростанция около калифорнийского города Крамер Джанкшен в пустыне Мохабе (рис. 6.1). Станция получила название Solar Energy Generating System, или сокращенно SEGS.

Рис. 6.1. Солнечная электростанция в пустыне Мохабе

На данной электростанции солнечную радиацию используют для получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечной тепловой электроэнергии в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно. В настоящее время энергокомпаниями США уже построены солнечные тепловые электростанции общей установленной мощностью более 400 МВт, которые обеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают 2,3 млн баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохабе, имеют 354 МВт установленной мощности. В других регионах мира также скоро должны быть начаты проекты по использованию солнечного тепла для выработки электроэнергии. Индия, Египет, Марокко и Мексика разрабатывают соответствующие программы. Гранты для их финансирования предоставляет Глобальная программа защиты окружающей среды (GEF). В Греции, Испании и США новые проекты разрабатываются независимыми производителями электроэнергии.

По способу производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.

Солнечные концентраторы

Тепловые солнечные электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз и рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать электричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду. Большие зеркала — с точечным либо линейным фокусом — концентрируют солнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Эти системы могут превращать солнечную энергию в электричество с КПД около 15 %. Все тепловые электростанции, кроме солнечных прудов, для достижения высоких температур применяют концентраторы, которые отражают свет Солнца с большей поверхности на меньшую поверхность приемника. Обычно такая система состоит из концентратора, приемника, теплоносителя, аккумулирующей системы и системы передачи энергии. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции — это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества, то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость. Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

Солнечные установки с параболическим концентратором

В некоторых тепловых солнечных электростанциях используются параболические зеркала, которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 ºC и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Солнечная установка с параболическим концентратором

Оценки данной технологии показывают более высокую стоимость вырабатываемой электроэнергии, чем у других солнечных тепловых электростанций. Это объясняется низкой концентрацией солнечного излучения, более низкими температурами. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Солнечная электростанция тарельчатого типа

Солнечные установки тарельчатого типа представляют собой батарею параболических тарелочных зеркал схожих формой со спутниковой тарелкой, которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки (рис. 6.3). Жидкость в приемнике нагревается до 1000 ºС и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

Рис. 6.3. Солнечная установка тарельчатого типа

Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%. Благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей, так и для гибридных, работающих на общую сеть.

Солнечные электростанции башенного типа

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником используют вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор (рис. 6.4, рис. 6.5).

Рис. 6.4. Солнечная электростанция башенного типа с центральным приемником

Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 500 до 1500 ºC. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей вырабатывать электроэнергию по заранее заданному графику.

Рис. 6.5. Солнечная башенная электростанция «Solar Two» в Калифорнии

Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема устройства солнечного пруда
1. Высокая концентрация соли. 2. Средний слой. 3. Низкая концентрация соли. 4. Холодная вода «в» и горячая вода «из»

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли — на поверхности. Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает. Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.

Достоинства и недостатки солнечных тепловых электростанций

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником и солнечные электростанции с параболическими концентраторами оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как солнечные электростанции тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт.

Таблица 6.1 Характеристики солнечных тепловых электростанций

Солнечные параболические концентраторы — на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа с центральным приемником, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер установок тарельчатого типа позволяет использовать их в небольших установках. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником и установки тарельчатого типа позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у электростанций с солнечными параболическими концентраторами. В табл. 6.1 приведены основные характеристики трех вариантов солнечной тепловой электрогенерации.

С ростом цен на энергоносители все актуальнее становится использование альтернативных источников энергии. А так как отопление у многих основная статья расходов, то об отоплении речь в первую очередь: платить приходится практически круглый год и немалые суммы. При желании сэкономить, первым на ум приходит солнечное тепло: мощный и совершенно бесплатный источник энергии. И использовать его вполне реально. Причем оборудование стоит хоть и дорого, но в разы дешевле, чем тепловые насосы. О том, как может быть использована энергия солнца для отопления дома, поговорим подробнее.

Отопление от солнца: за и против

Если говорить об использовании солнечной энергии для отопления, то нужно иметь в виду, что существуют два разных устройства для преобразования солнечной энергии:

Оба варианта имеют свои особенности. Хотя сразу нужно сказать, какой бы из их вы ни выбрали, не спешите отказываться от той системы отопления, которая у вас есть. Солнце встает, конечно, каждое утро, но вот не всегда на ваши солнечные элементы будет попадать достаточно света. Самое разумное решение — сделать комбинированную систему. Когда энергии солнца достаточно, второй источник тепла работать не будет. Этим вы и обезопасите себя, и жить будете в комфортных условиях, и сэкономите.

Если желания или возможности ставить две системы нет, ваше солнечное отопление должно иметь, как минимум, двукратный запас по мощности. Тогда точно можно сказать, что тепло у вас будет в любом случае.

Достоинства использования солнечной энергии для отопления:

Недостатки:

• Зависимость количества поступающего тепла от погоды и региона.
• Для гарантированного отопления потребуется система, которая может работать параллельно с гелиосистемой отопления. Многие производители отопительного оборудования предусматривают такую возможность. В частности европейские производители настенных газовых котлов предусматривают совместную работу с солнечным отоплением (например, котлы Baxi). Даже если у вас установлено оборудование, у которого такой возможности нет, можно согласовать работу отопительной системы при помощи контролера.
• Солидные финансовые вложения на стартовом.
• Периодичное обслуживание: трубки и панели нужно очищать от налипшего мусора и мыть от пыли.
• Некоторые из жидкостных солнечных коллекторов не могут работать при очень низких температурах. В преддверии сильных морозов жидкость приходится сливать. Но это касается не всех моделей и не всех жидкостей.

Теперь рассмотрим подробнее каждый из типов солнечных нагревательных элементов.

Солнечные коллекторы

Для солнечного отопления используют именно гелиоколлекторы. Эти установки при помощи тепла солнца нагревают жидкость-теплоноситель, которую потом можно использовать в системе водяного отопления. Специфика в том, что солнечный водонагреватель для отопления дома выдает только температуру 45-60 о С, а самую высокую эффективность показывает при 35 о С на выходе. Потому рекомендованы такие системы для использования в паре с теплыми водяными полами. Если отказываться от радиаторов вам не хочется, или увеличивайте количество секций (раза в два примерно) или подогревайте теплоноситель.

Для обеспечения дома теплой водой и для водяного отопления можно использовать солнечные коллекторы (плоские и трубчатые)

Теперь о видах солнечных коллекторов. Конструктивно есть две модификации:

• плоские;
• трубчатые.

В каждой из групп есть вариации и по материалам, и по конструкции, но принцип действия у них один: по трубкам бежит теплоноситель, который нагревается от солнца. Вот только конструкции абсолютно разные.

Плоские солнечные коллекторы

Эти гелиоустановки для отопления имеют простую конструкцию и потому именно их можно при желании изготовить своими руками. На металлической раме закреплено прочное дно. Сверху уложен слой теплоизоляции. Изолируются для уменьшения потерь и стенки корпуса. Затем идет слой адсорбера — материала, который хорошо поглощает солнечное излучение, превращая его в тепло. Этот слой обычно имеет черный цвет. На адсорбере закреплены трубы, по которым течет теплоноситель. Сверху вся эта конструкция закрывается прозрачной крышкой. Материалом для крышки может быть закаленное стекло или один из пластиков (чаще всего это поликарбонат). В некоторых моделях светопропускающий материал крышки может проходить специальную обработку: для уменьшения отражающей способности его делают не гладким, а чуть матовым.

Трубы в плоском солнечном коллекторе обычно уложены змейкой, имеется два отверстия — впускное и выпускное. Может быть реализовано однотрубное и двухтрубное подключение. Это кому как нравится. Но для нормального теплообмена необходим насос. Возможна и самотечная система, но она будет очень неэффективной из-за небольшой скорости движения теплоносителя. Именно этого типа солнечный коллектор и используют для отопления, хотя с его помощью можно эффективно греть воду для ГВС.

Есть вариант самотечного коллектора, но его применяют в основном для подогрева воды. Называют такую конструкцию еще пластиковым солнечным коллектором. Это две пластины из прозрачного пластика, герметично закрепленные на корпусе. Внутри устроен лабиринт для продвижения воды. Иногда нижняя панель бывает окрашена в черный цвет. Имеется два отверстия — впускное и выпускное. Вода подается внутрь, по мере продвижения по лабиринту греется солнцем, и выходит уже теплой. Такая схема хорошо работает с резервуаром для воды и легко нагревает воду для ГВС. Это современная замена обычной бочке, установленной на летнем душе. Причем более эффективная замена.

Насколько эффективны солнечные коллекторы? Среди всех бытовых гелиоустановок на сегодня они показывают лучшие результаты: их КПД 72-75%. Но не все так хорошо:

• они не работают ночью и плохо работают в пасмурную погоду;
• большие потери тепла, особенно при ветре;
• низкая ремонтопригодность: если что-то выходит из строя, то менять нужно значительную часть, или всю панель полностью.

Тем не менее, часто отопление частного дома от солнца делают именно при помощи этих гелиоустановок. Такие установки популярны в южных странах с активным излучением и положительными температурами в зимний период. Для наших зим они не подходят, но в летний сезон показывают хорошие результаты.

Воздушный коллектор

Эта установка может быть использована для воздушного отопления дома. Конструктивно она очень напоминает описанный выше пластиковый коллектор, но циркулирует и нагревается в нем воздух. Такие устройства навешиваются на стены. Действовать они могут двумя способами: если воздушный гелионагреватель герметичен, воздух забирается из помещения, нагревается и возвращается в то же помещение.

Есть другой вариант. В нем обогрев совмещен с вентиляцией. В наружном корпусе воздушного коллектора имеются отверстия. Через них внутрь конструкции поступает холодный воздух. Проходя через лабиринт, от солнечных лучей он нагревается, а затем подогретым попадает в помещение.

Такое отопление дома будет более-менее эффективным, если установка будет занимать всю южную стену, и при этом тени на этой стене не будет.

Трубчатые коллекторы

Тут тоже циркулирует теплоноситель по трубам, но каждая из таких теплообменных труб вставлена в стеклянную колбу. Все они соединяются в манифолде (manifold), который, по сути, является гребенкой.

Схема трубчатого коллектора (кликните для увеличения размера картинки)

Трубчатые коллекторы имеют два типа трубок: коаксиальные и перьевые. Коаксиальные — труба в трубе — вложены одна в другую и их края запаяны. Внутри между двумя стенками создается разреженная безвоздушная среда. Потому такие трубки называют еще вакуумными. Перьевые трубки — это обычная трубка, запаянная с одной стороны. А перьевыми их называют потому, что для повышения теплоотдачи в них вставляется пластина адсорберная, которая имеет изогнутые края и чем-то напоминает перо.

Кроме того в разные корпуса могут быть вставлены теплообменники разного типа. Первые — это тепловые каналы Heat-pipe (Хит пайп). Это целая система преобразования солнечного света в тепловую энергию. Heat-pipe — это полая медная трубка небольшого диаметра, запаянная на одном конце. На втором находится массивный наконечник. В трубку залито вещество с низкой температурой кипения. При нагревании вещество начинает кипеть, часть его переходит в газообразное состояние и поднимается по трубке вверх. По пути от нагретых стенок трубки оно все больше нагревается. Попадает в верхнюю часть, где находится некоторое время. За это время часть тепла газ передает массивному наконечнику, постепенно охлаждается, конденсируется и оседает вниз, где процесс снова повторяется.

Второй способ — U-type — это традиционная трубка, заполненная теплоносителем. Тут никаких новостей или сюрпризов. Все как обычно: с одной стороны входит теплоноситель, проходя по трубке, нагревается от солнечного света. Несмотря на свою простоту этот вид теплообменников эффективнее. Но используется он реже. А все потому, что солнечные водонагреватели такого типа составляют собой единое целое. При повреждении одной трубки приходится менять вся секцию.

Трубчатые коллекторы с системой Heat-pipe стоят дороже, показывают меньшую эффективность, но используются чаще. А все потому, что поврежденную трубку поменять можно за пару минут. Причем, если колба использована коаксиальная, то трубка тоже может быть отремонтирована. Просто она разбирается (снимается верхняя заглушка) и поврежденный элемент (тепловой канал или сама колба) заменяется на исправный. Затем трубка вставляется на место.

Какой коллектор лучше для отопления

Для южных регионов с мягкой зимой и большим количеством солнечных дней в году лучший вариант — плоский коллектор. При таком климате он показывает высшую продуктивность.

Для регионов с более суровым климатом подходят трубчатые коллекторы. Причем для суровых зим больше подходят именно системы с Heat-pipe: они греют даже ночью и даже в пасмурную погоду, собирая большую часть спектра солнечного излучения. Они не боятся низких температур, но точный диапазон температур нужно уточнять: он зависит от вещества, находящегося в тепловом канале.

Эти системы при грамотном расчете могут быть основными, но чаще они просто экономят затраты на отопление от другого, платного источника энергии.

Еще одним вспомогательным отоплением может быть воздушный коллектор. Его можно сделать во всю стену, причем он легко реализуется своими руками. Он отлично подойдет для отопления гаража или дачи. Причем проблемы с недостаточным нагревом могут возникнуть не зимой, как вы ожидаете, а осенью. При морозе и снеге энергии солнца в разы больше, чем в пасмурную дождливую погоду.

Солнечные батареи

Слыша слова «солнечная энергетика» мы в первую очередь думаем именно о батареях, которые преобразуют свет в электричество. И делают это специальные фотоэлектрические преобразователи. Они выпускаются промышленностью из разных полупроводников. Чаще всего для бытового использования мы применяем кремниевые фотоэлементы. Они имеют самую низкую цену и показывают достаточно приличную производительность: 20-25%.

Солнечные батареи для частного дома в некоторых странах — обычное явление

Напрямую использовать солнечные батареи для отопления можно лишь в том случае, если котел или другой отопительный прибор на электричестве вы подключите к этому источнику тока. Также солнечные панели в совокупности с электро-аккумуляторами можно интегрировать в систему снабжения дома электричеством и таким образом уменьшать приходящие ежемесячно счета за использованную электроэнергию. В принципе, вполне реально полностью обеспечить потребности семьи от этих установок. Просто средств и площадей потребуется много. В среднем с квадратного метра панели можно получить 120-150Вт. Вот и считайте, сколько квадратов кровли или придомовой территории должно быть занято такими панелями.

Особенности отопления солнечным теплом

Целесообразность устройства системы солнечного отопления у многих вызывает сомнения. Основной довод — это дорого и никогда себя не окупит. С тем, что это дорого, приходится согласиться: цены на оборудование немаленькие. Но никто не мешает вам начать с малого. Например, для оценки эффективности и практичности идеи сделать подобную установку самому. Затрат минимум, а представление будете иметь из первых рук. Потом уже будете решать стоит со всем этим связываться или нет. Вот только в чем дело: все негативные сообщения от теоретиков. От практиков не встречалось ни одного. Идет активное выяснение способов улучшения, переделок, но никто не сказал, что затея бесполезна. Это о чем-то говорит.

Теперь о том, что установка системы солнечного отопления никогда не окупится. Пока срок окупае

мости в нашей стране большой. Он сравним со сроком эксплуатации солнечных коллекторов или батарей. Но если посмотреть динамику роста цен на все энергоносители, то можно предположить, что вскоре он сократится до вполне приемлемых сроков.

Теперь собственно о том, как сделать систему. Прежде всего, нужно определить потребность вашего дома и семи в тепле и горячей воде. Общая методика расчета системы солнечного отопления следующая:

• Зная, в каком регионе находится дом, вы можете узнать, сколько солнечного света приходится на 1м 2 площади в каждом месяце года. Специалисты это называют инсоляцией. Исходя из этих данных, вы затем сможете прикинуть, сколько солнечных панелей вам необходимо. Но сначала нужно определить, сколько тепла понадобится на подготовку ГВС и отопление.
• Если счетчик горячей воды у вас есть, то вы знаете объемы горячей воды, которые вы тратите ежемесячно. Выведите средние данные расхода за месяц или считайте по максимальному расходу — это кто как хочет. Также у вас должны иметься данные о тепловых потерях дома.
• Присмотрите солнечные нагреватели, которые хотели бы поставить. Имея данные по их производительности, вы сможете примерно определить количество элементов, необходимое на покрытие ваших потребностей.

Кроме определения количества составляющих гелиосистемы, понадобится определить объем бака, в котором будет накапливаться горячая вода для ГВС. Это легко можно сделать, зная фактический расход вашей семьи. Если у вас установлен счетчик на ГВС, и вы имеете данные за несколько лет, можно вывести среднюю норму потребления в день (средний расход в месяц поделить на количество дней). Вот примерно такой объем бака вам нужен. Но бак нужно брать с запасом в 20% или около того. На всякий случай.

Если ГВС или счетчика нет, можно воспользоваться нормами потребления. Один человек в сутки в среднем расходует 100-150 литров воды. Зная, сколько человек постоянно проживают в доме, вы рассчитаете требуемый объем бака: норма умножается на количество жильцов.

Сразу нужно сказать, что рациональной (с точки зрения окупаемости) для средней полосы России является система солнечного отопления, которая покрывает порядка 30% потребности в тепле и полностью снабжает горячей водой. Это усредненный результат: в какие-то месяцы отопление будет на 70-80% обеспечиваться гелиосистемой, а в какие-то (декабрь-январь) всего на 10%. И снова-таки многое зависит от типа солнечных батарей и от региона проживания.

Причем дело не только в «севернее» или «южнее». Дело в количестве солнечных дней. Например, на очень холодной Чукотке солнечное отопление будет очень эффективным: там почти всегда светит солнце. В гораздо более мягком климате Англии, с вечными туманами, его эффективность крайне низка.
;

Итоги

Несмотря на множество критиков, которые говорят о неэффективности солнечной энергетики и слишком большом сроке окупаемости, все больше людей хоть частично переходят на альтернативные источники. Кроме экономии многих привлекает независимость от государства и его ценовой политики. Чтобы не жалеть о напрасно вложенных суммах, можно сначала провести эксперимент: изготовить одну из солнечных установок своими руками и решить для себя насколько это вас привлекает (или нет).

Для чего используются тепловые солнечные коллекторы? Где можно их использовать - сферы применения, варианты применения, плюсы и минусы коллекторов, технические характеристики, эффективность. Можно ли сделать самому и насколько это оправдано. Схемы применения и перспективы.

Назначение

Коллектор и солнечная батарея два разных устройства. Батарея использует преобразование солнечной энергии в электрическую, накапливающуюся в аккумуляторах и применяющуюся для бытовых нужд. Солнечные коллекторы, как и тепловой насос, предназначены для сбора и накапливания экологически чистой энергии Солнца, преобразование которой используется для нагрева воды либо отопления. В промышленных масштабах стали широко использоваться солнечные тепловые электростанции, преобразующую тепло в электроэнергию.

Устройство

Коллекторы состоят из трех основных частей:

• панели;
• аванкамера;
• накопительный бак.

Панели представлены в виде трубчатого радиатора, помещенного в короб с наружной стенкой из стекла. Их необходимо располагать на любом хорошо освещенном месте. В радиатор панели поступает жидкость, которая затем нагревается и передвигается в аванкамеру, где холодная вода замещается горячей, что создает постоянное динамическое давление в системе. При этом холодная жидкость поступает в радиатор, а горячая в накопительный бак.

Стандартные панели легко приспособить к любым условиям. При помощи специальных монтажных профилей их можно устанавливать параллельно друг другу в ряд в неограниченном количестве. В алюминиевых монтажных профилях просверливают отверстия и крепят к панелям снизу на болты или заклепки. После завершения работы панели солнечных абсорберов вместе с монтажными профилями представляют собой единую жесткую конструкцию.

Система солнечного теплоснабжения делится на две группы: с воздушным и с жидкостным теплоносителем. Коллекторы улавливают и поглощают излучение, и, совершая преобразование ее в тепловую энергию, передают в накопительный элемент, из которой тепло распределяется по помещению. Любая из систем может дополняться вспомогательным оборудованием (циркуляционный насос, датчики давления, предохранительные клапаны).

Принцип работы

В дневное время тепловое излучение передается теплоносителю (вода или антифриз), циркулирующему через коллектор. Нагретый теплоноситель передает энергию в бак водонагревателя, расположенного выше его и собирающего воду для горячего водоснабжения. В простой версии циркуляция воды осуществляется естественным образом благодаря разности плотности горячей и холодной воды в контуре, а для того, чтобы циркуляция не прекращалась, используется специальный насос. Циркуляционный насос предназначен для активной прокачки жидкости по конструкции.


В усложненном варианте коллектор включен в отдельный контур, наполненный водой или антифризом. Насос помогает им начать циркулировать, передавая при этом сохраненную солнечную энергию в теплоизолированный бак-аккумулятор, который позволяет запасать тепло и брать его в случае необходимости. Если энергии недостаточно, предусмотренный в конструкции бака электрический или газовый нагреватель, автоматически включается и поддерживает необходимую температуру.

Виды

Тем, кто хочет, чтобы в его доме была система солнечного теплоснабжения, для начала следует определиться с наиболее подходящим типом коллектора.

Коллектор плоского типа

Представлен в виде коробки, закрытой закаленным стеклом, и имеющий особый слой, поглощающий солнечное тепло. Этот слой соединен с трубками, по которым ведется циркуляция теплоносителя. Чем больше энергии он будет получать, тем выше его эффективность. Уменьшение тепловых потерь в самой панели и обеспечение наибольшего поглощения тепла на пластинах абсорбера позволяет обеспечить максимальный сбор энергии. При отсутствии застоя плоские коллекторы способны нагреть воду до 200 °C. Они предназначены для подогрева воды в бассейнах, бытовых нужд и отопления дома.

Коллектор вакуумного типа

Представляет собой стеклянные батареи (ряд полых трубок). Наружная батарея имеет прозрачную поверхность, а внутренняя батарея покрыта специальным слоем, который улавливает излучение. Вакуумная прослойка между внутренними и внешними батареями помогает сохранить около 90% поглощаемой энергии. Проводниками тепла являются специальные трубки. При нагревании панели происходит преобразование жидкости, находящейся в нижней части батареи в пар, который поднимаясь, предает тепло в коллектор. Этот тип системы имеет больший КПД по сравнению с коллекторами плоского типа, так как его можно использовать при низких температурах и в условиях плохой освещенности. Вакуумная солнечная батарея позволяет нагреть температуру теплоносителя до 300 °C, при использовании многослойного стеклянного покрытия и создании в коллекторах вакуума.

Тепловой насос

Системы солнечного теплоснабжения наиболее эффективно работают с таким устройством, как тепловой насос. Предназначен для сбора энергии из окружающей среды вне зависимости от погодных условий и может устанавливаться внутри дома. В качестве источника энергии здесь могут выступать вода, воздух либо грунт. Тепловой насос может работать, используя лишь солнечные коллекторы, если достаточно солнечной электроэнергии. При использовании комбинированной системы «тепловой насос и солнечный коллектор», не имеет значения тип коллектора, однако наиболее подходящим вариантом будет солнечная вакуумная батарея.

Что лучше

Система солнечного теплоснабжения может устанавливаться на крышах любого вида. Более прочными и надежными считаются плоские коллекторы, в отличие от вакуумных, конструкция которых более хрупкая. Однако при повреждении плоского коллектора придется заменить всю абсорбирующую систему, тогда как у вакуумного замене подлежит лишь поврежденная батарея.


Эффективность вакуумного коллектора гораздо выше, чем плоского. Их можно использовать в зимнее время и они производят больше энергии в пасмурную погоду. Достаточно большое распространение получил тепловой насос, несмотря на свою высокую стоимость. Показатель выработки энергии у вакуумных коллекторов зависит от величины трубок. В норме размеры трубок должны составлять в диаметре 58 мм при длине от 1,2-2,1 метра. Достаточно сложно установить коллектор своими руками. Однако обладание определенными знаниями, а также следование подробным инструкциям по монтажу и выбору места системы, указанными при покупке оборудования существенно упростит задачу и поможет принести в дом солнечное теплоснабжение.

Nbsp; РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов Методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов: методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии/ А. В. ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛЖЕНИЯ 1.1. Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора 1.2. Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения 2. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 3. РАСЧЁТ ТЕПЛОТЫ НА ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ 3.1. Основные положения 3.2. Определение трансмиссионных тепловых потерь 3.3. Определение расхода теплоты на подогрев вентиляционного воздуха 3.4. Определение затрат теплоты на горячее водоснабжение 4. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БИБЛИОГРАФИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора

Плоский солнечный коллектор (СК) является основным элементом систем солнечного отопления и горячего водоснабжения. Принцип его действия прост. Большая часть солнечной радиации, падающей на коллектор, поглощается поверхностью, которая является «черной» по отношению к солнечному излучению. Часть поглощенной энергии передается жидкости, циркулирующей через коллектор, а остальная теряется в результате теплообмена с окружающей средой. Тепло, уносимое жидкостью, представляет собой полезное тепло, которое либо аккумулируется, либо используется для покрытия отопительной нагрузки.

Основные элементы коллектора следующие: поглощающая пластина, обычно из металла, с неотражающим черным покрытием, обеспечивающим максимальное поглощение солнечного излучения; трубы или каналы по которым циркулирует жидкость пли воздух и которые находятся в тепловом контакте с поглощающем пластиной; тепловая изоляция днища и боковых кромок пластины; один или несколько воздушных промежутков, разделенных прозрачными покрытиями в целях теплоизоляции пластины сверху; и наконец, корпус, обеспечивающий долговечность и устойчивость к воздействию погодных факторов. На рис. 1 показаны поперечные сечения водо- и воздухонагревателя.

Рис. 1. Схематичное изображение солнечных коллекторов с водяным и воздушным теплоносителями: 1 – тепловая изоляция; 2 – воздушный канал; 3 – прозрачные покрытия; 4 – поглощающая пластина; 5 – трубы, соединенные с пластиной.

Прозрачное покрытие обычно делают из стекла. Стекло обладает превосходной стойкостью к атмосферным воздействиям и хорошими механическими свойствами. Оно относительно недорого и при низком содержании окиси железа может иметь высокую прозрачность. Недостатками стекла являются хрупкость и большая масса. Наряду со стеклом возможно применение и пластмассовых материалов. Пластмасса обычно менее подвержена поломке, легка и в виде топких листов недорога. Однако она, как правило, не обладает столь же высокой устойчивостью к воздействию погодных факторов, как стекло. На поверхность пластмассового листа легко наносятся царапины и многие пластмассы со временем деградируют и желтеют, в результате чего снижается их пропускательная способность по отношению к солнечному излучению и ухудшается механическая прочность. Еще одним преимуществом стекла по сравнению с пластмассами является то, что стекло поглощает или отражает все падающее на него длинноволновое (тепловое) излучение, испускаемое поглощающей пластиной. Потери тепла в окружающую среду путем излучения снижаются при этом более эффективно, чем в случае пластмассового покрытия, которое пропускает часть длинноволнового излучения.

Плоский коллектор поглощает как прямое, так и диффузное излучение. Прямое излучение вызывает отбрасывание тени освещаемым солнцем предметом. Диффузное излучение отражается и рассеивается облаками и пылью, прежде чем достигает поверхности земли; в отличие от прямого излучения оно не приводит к образованию теней. Плоский коллектор обычно устанавливают неподвижно на здании. Его ориентация зависит от местоположения и времени года, в течение которого должна работать солнечная энергетическая установка. Плоский коллектор обеспечивает низкопотенциальное тепло, требуемое для нагрева воды и отопления помещения.

Фокусирующие (концентрирующие) солнечные коллекторы, в том числе с параболическим концентратором или концентратором Френеля, могут применяться в системах солнечного теплоснабжения. Большая часть фокусирующих коллекторов использует только прямую солнечную радиацию. Преимущество фокусирующего коллектора по сравнению с плоским состоит в том, что он имеет меньшую площадь поверхности, с которой тепло теряется в окружающую среду, а следовательно, рабочая жидкость может быть нагрета в нем до более высоких температур, чем в плоских коллекторах. Однако для нужд отопления и горячего водоснабжения более высокая температура почти (или совсем) не имеет значения. Для большинства концентрирующих систем коллектор должен следить за положением солнца. Системы, не дающие изображения солнца, обычно требуют регулировки несколько раз в год.

Следует различать мгновенные характеристики коллектора (т. е. характеристики в данный момент времени, зависящие от метеорологических и рабочих условий в этот момент), и его долгосрочные характеристики. На практике коллектор системы солнечного теплоснабжения работает в широком диапазоне условий в течение года. В некоторых случаях рабочий режим характеризуется высокой температурой и низкой эффективностью коллектора, в других случаях, наоборот, низкой температурой и высокой эффективностью.

Для рассмотрения работы коллектора при переменных условиях необходимо определить зависимость его мгновенных характеристик от метеорологических и режимных факторов. Для описания характеристик коллектора необходимы два параметра, один из которых определяет количество поглощенной энергии, а другой - потери тепла в окружающую среду. Эти параметры лучшее всего определяются в результате испытаний, в которых измеряется мгновенная эффективность коллектора в соответствующем диапазоне условий.

Полезная энергия, отводимая из коллектора в данный момент времени, - это разность количества солнечной энергии, поглощенной пластиной коллектора, и количества энергии, теряемой в окружающую среду. Уравнение, которое применимо для расчета почти всех существующих конструкций плоского коллектора, имеет вид:

где - полезная энергия, отводимая из коллектора в единицу времени, Вт; - площадь коллектора, м 2 ; - коэффициент отвода тепла из коллектора; - плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора Вт/м 2 ; - пропускательная способность прозрачных покрытии по отношению к солнечному излучению; - поглотительная способность пластины коллектора по отношению к солнечному излучению; - полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м 2 °С); -температура жидкости на входе в коллектор, °С; - температура окружающей среды, °С.

Солнечная радиация, падающая на коллектор, в любой момент времени состоит из трех частей: прямой радиации, диффузной радиации и радиации, отраженной от земли или окружающих предметов, количество которой зависит от угла наклона коллектора к горизонту и характера этих предметов. Когда проводятся испытании коллектора, плотность потока радиации I измеряют с помощью пиранометра, установленного под тем же, что и коллектор, углом наклона к горизонту. Применяемый при расчетах f -метод требует знания средних месячных приходов солнечной радиации на поверхность коллектора. Чаще всего в справочниках имеются данные по средним месячным приходам радиации на горизонтальную поверхность.

Плотность потока солнечной радиации, поглощаемой пластиной коллектора в некоторый момент времени, равна произведению плотности потока падающей радиации I , пропускательной способности системы прозрачных покрытий t и поглощательной способности пластины коллектора a . Обе последние величины зависят от материала и угла падения солнечного излучения (т. е. угла между нормалью к поверхности и направлением солнечных лучей). Прямая, диффузная и отраженная составляющие солнечной радиации поступают на поверхность коллектора под различными углами. Поэтому оптические характеристики t и a должны рассчитываться с учетом вклада каждой из компонент.

Коллектор теряет тепло различными способами. Потери тепла от пластины к прозрачным покрытиям и от верхнего покрытия к наружному воздуху происходят путем излучения и конвекции, но соотношение этих потерь в первом и втором случаях не одинаково. Потери тепла через изолированные днище и боковые стенки коллектора обусловлены теплопроводностью. Коллекторы должны проектироваться таким образом, чтобы все тепловые потерн были наименьшими.

Произведение полного коэффициента потер U L и разности температур в уравнении (1) представляет собой потери тепла от поглощающей пластины при условии, что ее температура всюду равна температуре жидкости на входе. При нагревании жидкости пластина коллектора имеет более высокую температуру, чем температура жидкости па входе. Это необходимое условие переноса тепла от пластины к жидкости. Поэтому фактические потери тепла от коллектора больше значения произведения . Разница потерь учитывается с помощью коэффициента отвода тепла F R .

Полный коэффициент потерь U L равен сумме коэффициентов потерь через прозрачную изоляцию, днище и боковые стенки коллектора. Для хорошо спроектированного коллектора сумма последних двух коэффициентов обычно составляет около 0,5 - 0,75 Вт/(м 2 °С). Коэффициент потерь через прозрачную изоляцию зависит от температуры поглощающей пластины, числа и материала прозрачных покрытий, степени черноты пластины в инфракрасной части спектра, температуры окружающей среды и скорости ветра.

Уравнение (1) удобно для расчета солнечных энергетических систем, поскольку полезная энергия коллектора определяется по температуре жидкости па входе. Однако потери тепла в окружающую среду зависят от средней температуры поглощающей пластины, которая всегда выше температуры на входе, если жидкость нагревается, проходя через коллектор. Коэффициент отвода тепла F R равен отношению фактической полезной энергии, когда температура жидкости в коллекторе увеличивается в направлении потока, к полезной энергии, когда температура всей поглощающей пластины равна температуре жидкости на входе.

Коэффициент F R зависит от расхода жидкости через коллектор и конструкции поглощающей пластины (толщины, свойств материала, расстояния между трубами и т. п.) и почти не зависит от интенсивности солнечной радиации и температур поглощающей пластины и окружающей среды.

Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения

Системы солнечного теплоснабжения (или гелиоустановки) можно разделить на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы, или «солнечные дома», которые для сбора и распределения солнечной энергии используют архитектурные и строительные элементы здания и не требуют дополнительного оборудования. Чаще всего такие системы включают в себя зачерненную стену здания, обращенную на юг, на некотором расстоянии от которой расположено прозрачное покрытие. В верхней и нижней части стены имеются отверстия, соединяющие пространство между стеной и прозрачным покрытием с внутренним объемом здания. Солнечная радиация нагревает стену: воздух, омывающий стену, нагревается от нее и поступает через верхнее отверстие в помещения здания. Циркуляция воздуха обеспечивается либо за счет естественной конвекции, либо вентилятором. Несмотря на некоторые преимущества пассивных систем, используются в основном активные системы со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения солнечной радиации, так как эти системы позволяют улучшить архитектуру здания, повысить эффективность использования солнечной энергии, а также обеспечивают большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширяют область применения. Выбор, состав и компоновка элементов активной системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае, определяются климатическими факторами, типом объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями. Специфическим элементом этих систем является солнечный коллектор; применяемые элементы, такие как теплообменные устройства, аккумуляторы, дублирующие источники теплоты, сантехническая арматура, широко используются в промышленности. Солнечный коллектор обеспечивает преобразование солнечного излучения в теплоту, передаваемую нагреваемому теплоносителю, циркулирующему в коллекторе.

13

Аккумулятор является важным компонентом системы солнечного теплоснабжения, так как из-за периодичности поступления солнечной радиации в течение дня, месяца, года максимум теплопотребления объекта не совпадает с максимумом теплопоступления. Выбор объема аккумулятора зависит отхарактеристик системы. Аккумулятор может быть выполнен в виде бака или другой емкости, заполненной аккумулирующим теплоту веществом. В эксплуатируемых системах обычно на 1 м 2 солнечного коллектора приходится от 0,05 до 0,12 м 3 вместимости бака-аккумулятора. Существуют проекты межсезонного аккумулирования солнечной энергии, при этом вместимость бака-аккумулятора достигает 100 - 200 м 3 . Баки-аккумуляторы могут работать за счет теплоемкости рабочего вещества или теплоты фазовых превращений различных материалов. Однако на практике из-за простоты, надежности и сравнительной дешевизны наибольшее распространение получили аккумуляторы, в которых рабочим веществом является вода или воздух. Водяные аккумуляторы представляют собой цилиндрические стальные резервуарысо слоем теплоизоляции. Чаще всего они располагаются в подвале дома. В воздушных аккумуляторах применяют засыпку из гравия, гранита и других твердых наполнителей. Дублирующий источник теплоты также является необходимым элементом солнечной установки. Назначение источника - полное обеспечение объекта теплотой в случае недостатка или отсутствия солнечной радиации. Выбор типа источника определяется местными условиями. Это может быть, либо электробойлер, либо водогрейный котел или котельная на органическом топливе. В качестве теплообменных устройств используются различные типы теплообменников, широко применяемых в энергетике и теплотехнике, например, скоростные теплообменники, водяные подогреватели и т. д.

Кроме основных элементов, описанных выше, солнечные систем теплоснабжения могут включать в себя насосы, трубопроводы, элементы системы КИП и автоматики и т. д. Различное сочетание этих элементов приводит к большому разнообразию систем солнечного теплоснабжения по их характеристикам и стоимости. На базе использования гелиоустановок могут быть решены задачи отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных объектов.

Гелиоустановки имеют следующую классификацию:

1) по назначению:

Системы горячего водоснабжения;

Системы отопления;

Комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;

2) по виду используемого теплоносителя:

Жидкостные;

Воздушные;

3) по продолжительности работы:

Круглогодичные;

Сезонные;

4) по техническому решению схемы:

Одноконтурные;

Двухконтурные;

Многоконтурные.

Наиболее часто применяемыми теплоносителями в системах солнечного теплоснабжения являются жидкости (вода, раствор этиленгликоля, органические вещества) и воздух. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Воздух не замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечками и коррозией оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного теплоснабжения предпочтение отдается жидкостям. Для жилищно-коммунальных нужд основной теплоноситель - вода.

При работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха необходимо либо использовать в качестве теплоносителя антифриз, либо каким-то способом избегать замерзания теплоносителя (например, своевременным сливом воды, нагревом ее, утеплением солнечного коллектора).

Системы солнечного теплоснабжения малой производительности, обеспечивающие небольших отдаленных потребителей, часто работают по принципу естественной циркуляции теплоносителя. Бак с водой располагается выше солнечного коллектора. Эта вода подается в нижнюю часть СК, расположенного под определенным углом, где начинает нагреваться изменять свою плотность и самотеком подниматься вверх по каналам коллектора. Затем она поступает в верхнюю часть бака, а ее место в коллекторе занимает холодная вода из его нижней части. Устанавливается режим естественной циркуляции. В более мощных и производительных системах циркуляция воды в контуре солнечного коллектора обеспечивается при помощи насоса.

Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения, представленны на рис. 2, 3 , можно разделить на две основные группы: установки, работающие по разомкнутой или прямоточной схеме (рис. 2); установки, работающие по замкнутой схеме (рис. 3). В установках первой группы теплоноситель подается в солнечные коллекторы (рис. 2 а, б) или в теплообменник гелиоконтура (рис. 2 в), где он нагревается и поступает либо непосредственно к потребителю, либо в бак-аккумулятор. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то теплоноситель догревается в дублирующем источнике теплоты. Рассмотренные схемы находят применение, в основном, в промышленных объектах, в системах с долговременным аккумулированием теплоты. Чтобы обеспечить постоянный температурный уровень теплоносителя на выходе из коллектора, необходимо изменять расход теплоносителя в соответствии с законом изменения интенсивности солнечной радиации в течение дня, что требует применения автоматических устройств и усложняет систему. В схемах второй группы передача теплоты от солнечных коллекторов осуществляется либо через бак-аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей (рис. 3 а), либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака (рис. 1.4 б), так и вне его (рис. 3 в). К потребителю нагретый теплоноситель поступает через бак и в случае необходимости догревается в дублирующем источнике теплоты. Установки, работающие по схемам, представленным на рис. 3, могут быть одноконтурными (рис. 3 а), двухконтурными (рис.3 б) или многоконтурными (рис. 3 в, г).

Рис. 2. Принципиальные схемы прямоточных систем: 1-солнечный коллектор; 2- аккумулятор; 3-теплообменник

Рис. 3. Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения

Применение того или иного варианта схемы зависит от характера нагрузки, типа потребителя климатических, экономических факторов и других условий. Рассмотренные на рис. 3 схемы нашли в настоящее время наибольшее применение, так как отличаются сравнительной простотой, надежностью в эксплуатации.

Этапы ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Расчетно-графическая работа состоит из следующих основных этапов:

1) Выполнение чертежа «План здания».

2) Выбор тепловой схемы системы отопления с использованием солнечных коллекторов

3) Выполнение чертежа «Схема отопления и ГВС с использованием солнечных тепловых коллекторов»

4) Расчет отопительной нагрузки (отопление и ГВС).

5) Расчет системы солнечного теплоснабжения и доли тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии f - методом.

6) Оформление пояснительной записки.