Техника безопасности системы солнечного теплоснабжения. Солнечное тепло: горячее водоснабжение и отопление

Соорудить солнечное отопление частного дома своими руками – не такая и сложная задача, как кажется неосведомленному обывателю. Для этого понадобятся навыки сварщика и материалы, доступные в любом строительном магазине.

Актуальность создания солнечного отопления частного дома своими руками

Получить полную автономию – мечта каждого владельца, затевающего частное строительство. Но действительно ли солнечная энергия способна отапливать жилой дом, особенно если устройство для ее накопления собрано в гараже?

В зависимости от региона солнечный поток может давать от 50 Вт/кв.м в пасмурный день до 1400 Вт/кв.м при ясном летнем небе. При таких показателях даже примитивный коллектор с низким КПД (45-50%) и площадью 15 кв.м. может выдавать в год около 7000-10000 кВт*ч. А это сэкономленные 3 тонны дров для твердотопливного котла!

в среднем на квадратный метр устройства приходится 900 Вт;
чтобы повысить температуру воды, необходимо затратить 1,16 Вт;
учитывая также теплопотери коллектора, 1 кв.м сможет нагреть около 10 литров воды в час до температуры 70 градусов;
для обеспечения 50 л горячей воды, необходимой одному человеку, понадобится затратить 3,48 кВт;
сверившись с данными гидрометцентра о мощности солнечного излучения (Вт/кв.м) в регионе, необходимо 3480 Вт разделить на получившуюся мощность солнечного излучения – это и будет нужная площадь солнечного коллектора для нагрева 50 л воды.

Как становится понятно, эффективное автономное отопление исключительно с использованием солнечной энергии осуществить довольно проблематично. Ведь в хмурую зимнюю пору солнечного излучения крайне мало, а разместить на участке коллектор площадью 120 кв.м. не всегда получится.

Так неужели солнечные коллекторы нефункциональны? Не стоит заранее сбрасывать их со счетов. Так, с помощью подобного накопителя можно летом обходиться без бойлера – мощности будет достаточно для обеспечения семьи горячей водой. Зимой же удастся сократить затраты на энергоносители, если подавать уже нагретую воду из солнечного коллектора в электрический бойлер.
Кроме того, солнечный коллектор станет отличным помощником тепловому насосу в доме с низкотемпературным отоплением (теплыми полами).

Так, зимой нагретый теплоноситель будет использоваться в теплых полах, а летом излишки тепла можно отправить в геотермальный контур. Это позволит снизить мощность теплового насоса.
Ведь геотермальное тепло не возобновляется, так что со временем в толще грунта образовывается все увеличивающийся «холодный мешок». Например, в обычном геотермальном контуре на начало отопительного сезона температура составляет +5 градусов, а в конце -2С. При подогреве же начальная температура поднимается до +15 С, а к концу отопительного сезона не падает ниже +2С.

Устройство самодельного солнечного коллектора

Для уверенного в своих силах мастера собрать тепловой коллектор не составит труда. Можно начать с небольшого устройства для обеспечения горячей воды на даче, а в случае успешного эксперимента перейти к созданию полноценной солнечной станции.

Плоский солнечный коллектор из металлических труб

Самый простой в исполнении коллектор – плоский. Для его устройства понадобится:

сварочный аппарат;
трубы из нержавеющей стали или меди;
стальной лист;
закаленное стекло или поликарбонат;
деревянные доски для рамы;
негорючий утеплитель, способный выдержать нагретый до 200 градусов металл;
черная матовая краска, устойчивая к высоким температурам.

Сборка солнечного коллектора довольно проста:

Трубы привариваются к стальному листу – он выступает в роли адсорбера солнечной энергии, поэтому прилегание труб должно быть максимально плотным. Все красится в матовый черный цвет.

На лист с трубами кладется рама так, чтобы трубы оказались с внутренней стороны. Просверливаются отверстия для входа и выхода труб. Укладывается утеплитель. Если используется гигроскопичный материал, нужно позаботиться о гидроизоляции – ведь намокших утеплитель больше не будет защищать трубы от охлаждения.

Утеплитель фиксируется листом ОСБ, все стыки заполняются герметиком.
Со стороны адсорбера кладется прозрачное стекло или поликарбонат с небольшим воздушным зазором. Оно служит для предотвращения остывание стального листа.
Фиксировать стекло можно с помощью деревянных оконных штапиков, предварительно проложив герметик. Он предотвратит попадание холодного воздуха и защитит стекло от сжатия рамы при нагревании и охлаждении.

Для полноценного функционирования коллектора понадобится накопительный бак. Его можно сделать из пластиковой бочки, утепленной снаружи, в которой спиралью уложен теплообменник, соединенный с солнечным коллектором. Вход нагретой воды должен располагаться сверху, а выход холодной – снизу.

Важно правильно разместить бак и коллектор. Чтобы обеспечить естественную циркуляцию воды, бак должен находиться выше коллектора, а трубы – иметь постоянный наклон.

Солнечный нагреватель из подручных материалов

Если со сварочным аппаратом дружбу свести так и не удалось, можно сделать простой солнечный нагреватель из того, что под рукой. Например, из жестяных банок. Для этого в дне делаются отверстия, сами банки скрепляются друг с другом герметиком, на него же садятся в местах соединения с ПВХ-трубами. Красятся в черный цвет и укладываются в раму под стекло также, как и обычные трубы.

Фасад дома из солнечных батарей

Почему бы вместо обычного сайдинга не отделать дом чем-то полезным? Например, сделав с южной стороны на всю стену солнечный нагреватель.

Такое решение позволит оптимизировать расходы на отопление сразу по двум направлениям – снизить затраты на энергоноситель и существенно сократить теплопотери за счет дополнительного утепления фасада.

Устройство просто до безобразия и не требует специальных инструментов:

на утеплитель уложен окрашенный оцинкованный лист;
поверх уложена нержавеющая гофрированная труба, также выкрашенная в черный;
все прикрыто листами поликарбоната и зафиксировано алюминиевыми уголками.

Если же и этот способ кажется сложным, на видео представлен вариант из жести, полипропиленовых труб и пленки. Куда уж проще!

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР

ГЛАВНОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ
СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

РД 34.20.115-89

СЛУЖБА ПЕРЕДОВОГО ОПЫТА ПО «СОЮЗТЕХЭНЕРГО»

Москва 1990

РАЗРАБОТАНО Государственным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского

ИСПОЛНИТЕЛИ М.Н. ЕГАЙ, О.М. КОРШУНОВ, А.С. ЛЕОНОВИЧ, В.В. НУШТАЙКИН, В.К. РЫБАЛКО, Б.В. ТАРНИЖЕВСКИЙ, В.Г. БУЛЫЧЕВ

УТВЕРЖДЕНО Главным научно-техническим управлением энергетики и электрификации 07.12.89 г.

Начальник В.И. ГОРИЙ

Срок действия устанавливается

с 01.01.90

до 01.01.92

Настоящие Методические указания устанавливают порядок выполнения расчета и содержат рекомендации по проектированию систем солнечного теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений.

Методические указания предназначены для проектировщиков и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения.

. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

где f - доля полной среднегодовой тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии;

где F - площадь поверхности СК, м 2 .

где Н - среднегодовая суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт · ч/м 2 ; находится из приложения ;

а, b - параметры, определяемые из уравнения () и ()

где r - характеристика теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций здания при фиксированном значении нагрузки ГВС, представляет собой отношение суточной нагрузки отопления при температуре наружного воздуха равной 0 °С к суточной нагрузке ГВС. Чем больше r , тем больше доля отопительной нагрузки по сравнению с долей нагрузки ГВС и тем менее совершенной является конструкция здания с точки зрения тепловых потерь; r = 0 принимается при расчете только системы ГВС. Характеристика определяется по формуле

где λ - удельные тепловые потери здания, Вт/(м 3 · °С);

m - количество часов в сутках;

k - кратность вентиляционного обмена воздуха, 1/сут;

ρ в - плотность воздуха при 0 °С, кг/м 3 ;

f - коэффициент замещения, ориентировочно принимается от 0,2 до 0,4.

Значения λ , k , V , t в , s закладываются при проектировании ССТ.

Значения коэффициента α для солнечных коллекторов II и III типов

Значения коэффициентов
α 1	α 2	α 3	α 4	α 5	α 6	α 7	α 8	α 9
607,0	80,0		1340,0	437,5	22,5	1900,0	1125,0	25,0
298,0	148,5	61,5	150,0	1112,0	337,5	700,0	1725,0	775,0

Значения коэффициента β для солнечных коллекторов II и III типов

Значения коэффициентов
β 1	β 2	β 3	β 4	β 5	β 6	β 7	β 8	β 9
1,177	0,496	0,140			0,995	3,350	5,05	1,400
1,062	0,434	0,158	2,465	2,958	1,088	3,550	4,475	1,775

Значения коэффициентов а и b находятся из табл. .

Значения коэффициентов а и b в зависимости от типа солнечного коллектора

	Значения коэффициентов

		0,75
		0,80

где q i - удельная годовая теплопроизводительность СГВС при значениях f , отличных от 0,5;

Δq - изменение годовой удельной теплопроизводительности СГВС, %.

Изменение значения удельной годовой теплопроизводительности Δq от годового поступления солнечной радиации на горизонтальную поверхность H и коэффициента f

. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ где З с - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии ССТ, руб./ГДж; З б - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии базовой установкой, руб./ГДж. где С c - приведенные затраты на ССТ и дублер, руб./год; где к с - капитальные затраты на ССТ, руб.; к в - капитальные затраты на дублер, руб.; E н - нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений (0,1); Э с - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на ССТ; Э в - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на дублер; Ц - стоимость единицы тепловой энергии, вырабатываемой дублером, руб./ГДж; N д - количество тепловой энергии, вырабатываемой дублером в течение года, ГДж; к э - эффект от снижения загрязнения окружающей среды, руб.; к п - социальный эффект от экономии зарплаты персонала, обслуживающего дублер, руб. Удельные приведенные затраты определяются по формуле где С б - приведенные затраты на базовую установку, руб./год;	Определение термина
	Солнечный коллектор	Устройство для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую и другие виды энергии
Часовая (суточная, месячная и т.д.) теплопроизводительность	Количество тепловой энергии, отводимой от коллектора за час (сутки, месяц и т.д.) работы
Плоский солнечный коллектор	Нефокусирующий солнечный коллектор с поглощающим элементом плоской конфигурации (типа «труба в листе», только из труб и т.п.) и плоской прозрачной изоляцией
Площадь тепловоспринимающей поверхности	Площадь поверхности поглощающего элемента, освещенная солнцем в условиях нормального падения лучей
Коэффициент тепловых потерь через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора)	Поток тепла в окружающую среду через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора), отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности, при разности средних температур поглощающего элемента и наружного воздуха в 1 °С
Удельный расход теплоносителя в плоском солнечном коллекторе	Расход теплоносителя в коллекторе, отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности
Коэффициент эффективности	Величина, характеризующая эффективность переноса тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю и равная отношению фактической теплопроизводительности к теплопроизводительности при условии, что все термические сопротивления передачи тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю равны нулю
Степень черноты поверхности	Отношение интенсивности излучения поверхности к интенсивности излучения черного тела при той же температуре
Пропускательная способность остекления	Пропускаемая прозрачной изоляцией доля солнечного (инфракрасного, видимого) излучения, падающего на поверхность прозрачной изоляции
Дублер	Традиционный источник тепловой энергии, обеспечивающий частичное или полное покрытие тепловой нагрузки и работающий в сочетании с системой солнечного теплоснабжения
Система солнечного теплоснабжения	Система, обеспечивающая покрытие нагрузки отопления и горячего водоснабжения за счет солнечной энергии

Приложение 2

Теплотехнические характеристики солнечных коллекторов

	Тип коллектора

Общий коэффициент тепловых потерь U L , Вт/(м 2 · °С)
Поглощательная способность тепло-приемной поверхности α	0,95	0,90	0,95
Степень черноты поглощательной поверхности в диапазоне рабочих температур коллектора ε	0,95	0,10	0,95
Пропускательная способность остекления τ п	0,87	0,87	0,72
Коэффициент эффективности F R	0,91	0,93	0,95
Максимальная температура теплоносителя, °С
Примечани е. I - одностекольный неселективный коллектор; II - одностекольный селективный коллектор; III - двухстекольный неселективный коллектор.

Приложение 3

Технические характеристики солнечных коллекторов

	Изготовитель
	Братский завод отопительного оборудования	Спецгелиотепломонтаж ГССР	КиевЗНИИЭП	Бухарский завод гелиоаппаратуры
Длина, мм	1530	1000 - 3000	1624	1100
Ширина, мм			1008
Высота, мм		70 - 100
Масса, кг	50,5	30 - 50
Тепловоспринимающая поверхность, м		0,6 - 1,5		0,62
Рабочее давление, МПа		0,2 - 0,6

Приложение 4

Технические характеристики проточных теплообменников типа ТТ

	Диаметр наружный/внутренний, мм		Проходное сечение		Поверхность нагрева одной секции, м 2	Длина секции, мм	Масса одной секции, кг
	Диаметр наружный/внутренний, мм		внутренней трубы, см 2	кольцевого канала, см 2
	внутренней трубы	наружной трубы	внутренней трубы, см 2	кольцевого канала, см 2
ТТ 1-25/38-10/10	25/20	38/32	3,14	1,13		1500
ТТ 2-25/38-10/10	25/20	38/32	6,28	6,26		1500

Приложение 5

Годовой приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность (Н), кВт · ч/м 2


Азербайджанская ССР
Баку	1378
Кировобад	1426
Мингечаур	1426
Армянская ССР
Ереван	1701
Ленинакан	1681
Севан	1732
Нахичевань	1783
Грузинская ССР
Телави	1498
Тбилиси	1396
Цхакая	1365
Казахская ССР
Алма-Ата	1447
Гурьев	1569
Форт-Шевченко	1437
Джезказган	1508
Ак-Кум	1773
Аральское море	1630
Бирса-Кельмес	1569
Кустанай	1212
Семипалатинск	1437
Джаныбек	1304
Колмыково	1406
Киргизская ССР
Фрунзе	1538
Тянь-Шань	1915
РСФСР
Алтайский край
Благовещенка	1284
Астраханская область
Астрахань	1365
Волгоградская область
Волгоград	1314
Воронежская область
Воронеж	1039
Каменная степь	1111
Краснодарский край
Сочи	1365
Куйбышевская область
Куйбышев	1172
Курская область
Курск	1029
Молдавская ССР
Кишинев	1304
Оренбургская область
Бузулук	1162
Ростовская область
Цимлянск	1284
Гигант	1314
Саратовская область
Ершов	1263
Саратов	1233
Ставропольский край
Ессентуки	1294
Узбекская ССР
Самарканд	1661
Тамдыбулак	1752
Тахнаташ	1681
Ташкент	1559
Термез	1844
Фергана	1671
Чурук	1610
Таджикская ССР
Душанбе	1752
Туркменская ССР
Ак-Молла	1834
Ашхабад	1722
Гасан-Кули	1783
Кара-Богаз-Гол	1671
Чарджоу	1885
Украинская ССР
Херсонская область
Херсон	1335
Аскания Нова	1335
Сумская область
Конотоп	1080
Полтавская область
Полтава	1100
Волынская область
Ковель	1070
Донецкая область
Донецк	1233
Закарпатская область
Берегово	1202
Киевская область
Киев	1141
Кировоградская область
Знаменка	1161
Крымская область
Евпатория	1386
Карадаг	1426
Одесская область
	30,8	39,2	49,8	61,7	70,8	75,3	73,6	66,2	55,1	43,6	33,6	28,7
	28,8	37,2	47,8	59,7	68,8	73,3	71,6	64,2	53,1	41,6	31,6	26,7
	26,8	35,2	45,8	57,7	66,8	71,3	69,6	62,2	51,1	39,6	29,6	24,7
	24,8	33,2	43,8	55,7	64,8	69,3	67,5	60,2	49,1	37,6	27,6	22,7
	22,8	31,2	41,8	53,7	62,8	67,3	65,6	58,2	47,1	35,6	25,6	20,7
	20,8	29,2	39,8	51,7	60,8	65,3	63,6	56,2	45,1	33,6	23,6	18,7
	18,8	27,2	37,8	49,7	58,8	63,3	61,6	54,2	43,1	31,6	21,6	16,7
	16,8	25,2	35,8	47,7	56,8	61,3
Температура кипения, °С	106,0	110,0	107,5	105,0	113,0
Вязкость, 10 -3 Па · с:
при температуре 5 °С		5,15		6,38
при температуре 20 °С					7,65
при температуре -40 °С	7,75	35,3		28,45
Плотность, кг/м 3				1077	1483 - 1490
Теплоемкость кДж/(м 3 · °С):
при температуре 5 °С	3900	3524
при температуре 20 °С				3340	3486
Коррозионная способность	Сильная	Средняя	Слабая	Слабая	Сильная
Токсичность	Нет	Средняя	Нет	Слабая	Нет

Примечани е. Теплоносители на основе углекислого калия имеют следующие составы (массовая доля):

Рецептура 1 Рецептура 2

Калий углекислый, 1,5-водный 51,6 42,9

Натрий фосфорнокислый, 12-водный 4,3 3,57

Натрий кремнекислый, 9-водный 2,6 2,16

Натрий тетраборнокислый, 10-водный 2,0 1,66

Флуоресцоин 0,01 0,01

Вода До 100 До 100

Системы солнечного теплоснабжения

4.1. 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.

Пассивныминазываются 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 и т. п. (рис. 4.1.1)).

Рис. 4.1.1 Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления “стена-коллектор”: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.

Активныминазываются 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).

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°С 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.

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 рис.4.1.2. 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.

Рис. 4.1.2. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения; 8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.

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.

4.2. Концентрирующие гелиоприемники

Концентрирующие гелиоприемникипредставляют собой сферические или параболические зеркала (рис. 4.2.1), 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.

Рис. 4.2.1. Концентрирующие гелиоприемники: а – параболический концентратор; б – параболоцилиндрический концентратор; 1 – солнечные лучи; 2 – тепловоспринимающий элемент (солнечный коллектор); 3 – зеркало; 4 – механизм привода системы слежения; 5 – трубопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 °С) 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.

4.3. Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор– устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую.

Плоские солнечные коллекторы (рис. 4.3.1) 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).

Рис. 4.3.1. Плоский солнечный коллектор: 1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность; 5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель; 7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.

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 °С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию 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 на основе “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).

Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы охлаждения оказываются экономически нерентабельными. 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 средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м 2).

Потенциальные возможности использования гелиоэнергетики на Украине

На территории Украины энергия солнечной радиации за один среднегодовой световой день составляет в среднем 4 кВт ∙ час на 1м 2 (в летние дни – до 6 – 6.5 кВт ∙ час) т. е. около 1,5 тысячи кВт ∙ час за год на каждый квадратный метр. Это примерно столько же, сколько в средней Европе, где использование солнечной энергии носит самый широкий характер.

Кроме благоприятных климатических условий на Украине имеются высоко квалифицированные научные кадры в области использования солнечной энергии. После возвращения проф. Бойко Б.Т. из ЮНЕСКО, где он возглавлял международную программу ЮНЕСКО по использованию солнечной энергии (1973-1979г.), он начал интенсивную научную и организационную деятельность в Харьковском политехническом институте (ныне Национальный Технический Университет - ХПИ) по развитию нового научного и учебного направления материаловедения для гелиоэнергетики. Уже в 1983 году в соответствии с приказом Минвуза СССР N 885 от 13.07.83 г. в Харьковском Политехническом Институте впервые в практике высшей школы СССР была начатая подготовка инженеров-физиков с профилированием в области материаловедения для гелиоэнергетики в рамках специальности “Физика металлов”. Это заложило основы создания в 1988 году выпускающей кафедры “Физическое материаловедение для электроники и гелиоэнергетики” (ФМЭГ). Кафедра ФМЭГ в содружестве с Научно-исследовательским институтом технологии приборостроения (Харьков) в рамках космической программы Украины принимала участие в создании кремниевых солнечных батарей с к.п.д. 13- 14% для украинских космических аппаратов.

Начиная с 1994 года, кафедра ФМЭГ при поддержке Штутгардского Университета и Европейского Сообщества, а также Цюрихского Технического Университета и Швейцарского Национального Научного Общества принимает активное участие в научных исследованиях по разработке пленочных ФЭП.

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.

Подготовили студенты Группы Б3ТПЭН31

Пассивные

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 и т. п.

Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления “стена-коллектор”: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.

Активные

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

по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);

по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Классификация систем солнечного теплоснабжения

могут быть классифицированы по различным критериям:

по назначению:

1. системы горячего водоснабжения (ГВС);

2. системы отопления;

3. комбинированные системы;

По виду используемого теплоносителя:

1. жидкостные;

2. воздушные;

По продолжительности работы:

1. круглогодичные;

2. сезонные;

По техническому решению схемы:

1. одноконтурные;

2. двухконтурные;

3. многоконтурные.

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис.4.1.2. 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;

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения; 8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.

Функционирование

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.

Принципиальная схема одноконтурной термосифонной системы солнечного горячего водоснабжения

Особенностью систем является то, что в случае термосифонной системы нижняя точка бака- аккумулятора должна располагаться выше верхней точки коллектора и не далее 3-4 м. от коллекторов, а при насосной циркуляции теплоносителя расположение бака-аккумулятора может быть произвольным.