Чем лучше использование солнечных систем теплоснабжения. Солнечное отопление частного дома: варианты и схемы устройства

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.

На базе использования гелиоустановок могут быть решены задачи отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных объектов. Гелиоустановки имеют следующую классификацию:

• по назначению: системы горячего водоснабжения; системы отопления; комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;
• по виду используемого теплоносителя: жидкостные; воздушные;
• по продолжительности работы: круглогодичные; сезонные;
• 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).

Гелиоустановками горячего водоснабжения круглогодичного действия с дублирующим источником теплоты могут быть оборудованы дома сельского типа, многоэтажные и многоквартирные дома, санатории, больницы и другие объекты. Сезонные установки, такие как, например, душевые установки для пионерских лагерей, пансионатов, передвижные установки для геологов, строителей, чабанов функционируют обычно в летние и переходные месяцы года, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дублирующий источник теплоты или обходиться без него в зависимости от типа объекта и условий эксплуатации.

Стоимость гелиоустановок горячего водоснабжения может составлять от 5 до 15% стоимости объекта и зависит от климатических условий, стоимости оборудования и степени его освоенности.

В гелиоустановках, предназначенных для систем отопления, в качестве теплоносителей используют как жидкости, так и воздух. В многоконтурных гелиоустановках в разных контурах могут быть использованы различные теплоносители (например, в гелиоконтуре - вода, в распределительном - воздух). У нас в стране преобладающее распространение получили водяные гелиоустановки для теплоснабжения.

Площадь поверхности солнечных коллекторов, необходимая для систем отопления, обычно в 3-5 раз превышает площадь поверхности коллекторов для систем горячего водоснабжения, поэтому коэффициент использования этих систем ниже, особенно в летний период года. Стоимость установки для системы отопления может составлять 15-35% стоимости объекта.

К комбинированным системам могут быть отнесены установки круглогодичного действия для целей отопления и горячего водоснабжения, а также установки, работающие в режиме теплового насоса и тепловой трубы для целей тепло-хладоснабжения. Эти системы пока не применяются широко в промышленности.

Плотность потока солнечной радиации, приходящей на поверхность коллектора, в значительной степени определяет теплотехнические и технико-экономические показатели систем солнечного теплоснабжения.

Плотность потока солнечной радиации изменяется в течение дня и в течение года. Это является одной из характерных особенностей систем, использующих солнечную энергию, и при проведении конкретных инженерных расчетов гелиоустановок вопрос о выборе расчетного значения Е является определяющим.

В качестве расчетной схемы системы солнечного теплоснабжения рассмотрим схему, представленную на рис.3.3, которая дает возможность учесть особенности работы различных систем. Солнечный коллектор 1 преобразует энергию солнечного излучения в теплоту, которая передается в бак-аккумулятор 2 через теплообменник 3. Возможно расположение теплообменника в самом баке- аккумуляторе. Циркуляция теплоносителя обеспечивается насосом. Нагретый теплоноситель поступает в системы горячего водоснабжения и отопления. В случае недостатка или отсутствия солнечной радиации в работу включается дублирующий источник теплоты горячего водоснабжения или отопления 5.

Рис.3.3. Схема системы солнечного теплоснабжения: 1 - солнечные коллекторы; 2 - бак-аккумулятор горячей воды; 3 - теплообменник; 4 - здание с напольным отоплением; 5 - дублер (источник дополнительной энергии); 6 - пассивная солнечная система; 7 - галечный аккумулятор; 8 - заслонки; 9 -вентилятор; 10 - поток теплого воздуха в здание; 11- подача рециркуляционного воздуха из здания

В системе солнечного отопления использованы солнечные коллекторы нового поколения "Радуга" НПП "Конкурент" с улучшенными теплотехническими характеристиками за счет использования селективного покрытия на теплопоглощающей панели из нержавеющей стали и светопрозрачного покрытия из особо прочного стекла с высокими оптическими характеристиками.

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

В качестве дублирующего источника использован электрокотел.

Повышение эффективности систем гелиоснабжения может быть достигнуто за счет использования различных методов аккумулирования тепловой энергии, рационального сочетания гелиосистем с тепловыми котельными и теплонасосными установками, сочетания активных и пассивных систем разработки эффективных средств и методов автоматического управления.

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).

Доктор технических наук Б.И.Казанджан
Московский Энергетический Институт
(технический университет), Россия
Журнал Энергия, №12, 2005.

1. Введение.

Основными причинами, побудившими человечество заняться широкомасштабным промышленным освоением возобновляемых источников энергии являются:
-климатические изменения обусловленные увеличением содержания СО2 в атмосфере;
-сильная зависимость многих развитых стран, особенно европейских, от импорта топлива;
-ограниченность запасов органического топлива на Земле.
Недавнее подписание Киотского протокола большинством развитых стран мира поставило на повестку дня ускоренное развитие технологий способствующих сокращению выбросов СО2 в окружающую среду. Стимулом для развития этих технологий является не только осознание угрозы изменения климата и связанных с этим экономических потерь, но и тот факт, что квоты на выброс парниковых газов стали товаром, имеющим вполне реальную стоимость. Одной из технологий, позволяющей снизить расход органического топлива и уменьшить выбросы СО2, является производство низкопотенциального тепла для систем горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования воздуха, технологических и иных нужд за счет солнечной энергии. В настоящее время более 40% первичной энергии расходуемой человечеством приходится на покрытие именно этих потребностей, и именно в этом секторе технологии использования солнечной энергии являются наиболее зрелыми и экономически приемлемыми для широкого практического использования. Для многих стран использование солнечных систем теплоснабжения - это еще и способ уменьшить зависимость экономики от импорта ископаемых топлив. Эта задача особенно актуальна для стран Европейского Союза, экономика которого уже сейчас на 50% зависит от импорта ископаемых энергоресурсов, а до 2020 года эта зависимость может возрасти до 70%, что является угрозой экономической независимости этого региона

2.Масштабы использования солнечных систем теплоснабжения

О масштабах современного использования солнечной энергии для нужд теплоснабжения свидетельствуют следующие статистические данные .
Общая площадь солнечных коллекторов установленных в странах ЕС к концу 2004 года достигла 13960000 м2, а в мире превысила 150000000 м2. Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12% , а в отдельных странах достигает уровня 20-30% и более. По количеству коллекторов на тысячу жителей населения мировым лидером является Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м2 солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия - 47%, далее следуют Греция - 14%, Австрия - 12%, Испания - 6%, Италия - 4%, Франция - 3%. Европейские страны являются бесспорными лидерами в разработке новых технологий систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объемах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок. Статистические данные по увеличению количества вводимых в эксплуатацию солнечных коллекторов в мире по итогам 2004 года дают следующее распределение: Китай - 78%, Европа - 9%, Турция и Израиль - 8%, остальные страны - 5%.
По экспертной оценке ESTIF (Европейская Федерация промышленности солнечных тепловых установок) технико-экономический потенциал по использованию солнечных коллекторов в системах теплоснабжения только в странах ЕС составляет более 1,4 млрд.м2 способных производить более 680 000 ГВтч тепловой энергии в год. Планы на ближайшую перспективу предусматривают установку в этом регионе 100 000000 м2 коллекторов к 2010 году.

3. Солнечный коллектор - ключевой элемент солнечной системы теплоснабжения

Солнечный коллектор является основным компонентом любой солнечной системы теплоснабжения. Именно в нем происходит преобразование солнечной энергии в тепло. От его технического совершенства и стоимости зависит эффективность работы всей системы солнечного теплоснабжения и ее экономические показатели.
В системах теплоснабжения используются в основном два типа солнечных коллекторов: плоский и вакуумный.

Плоский солнечный коллектор состоит из корпуса, прозрачного ограждения, абсорбера и тепловой изоляции (фиг.1).

Фиг. 1 Типичная конструкция плоского солнечного коллектора

Корпус является основной несущей конструкцией,.прозрачное ограждение пропускает солнечную радиацию внутрь коллектора, защищает абсорбер от воздейсквия внешней среды и уменьшает тепловые потери с лицевой стороны коллектора. Абсорбер поглощает солнечную радиацию и по трубкам соедененным с его теплоприемной поверхностью передает тепло теплоносителю. Тепловая изоляция уменьшает тепловые потери с тыльной и боковой поверхностей коллектора.
Теплоприемная поверхность абсорбера имеет селективное покрытие, имеющее высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной области солнечного спектра и низкий коэффициент излучения в области спектра соответствующего рабочим температурам коллектора. У лучших современных коллекторов коэффициет поглощения находитвя в пределах 94-95%, коэффициет излучения 3-8%, а кпд в области рабочих температур типичных для систем теплоснабжения превышает 50% Неселективное черное покрытие абсорбера в современных коллекторах используется редко из-за высоких потерь на излучение. На рис 2 показаны примеры современных плоских коллекторов.

В вакуумных коллекторах (рис 3) каждый элемент абсорбера помещается в отдельную стеклянную трубу, внутри которой создается вакуум, благодаря чему потери тепла за счет конвекции и теплопроводности воздуха подавяются практически полностью. Селективное покрытие на поверхности абсорбера позволяет минимизировать потери на излучение. В результате к.п.д вакуумного коллектора получается существенно выше чем у плоского коллектора, на и стоимость его заначительно выше.

аб

Рис 2 Плоские солнечные коллектры

а) фирма Вагнер, б) фирма Ферон

а б

Рис 3 Вакуумный коллектор фирмы Виссман
а) общий вид, б) монтажная схема

3. Тепловые схемы солнечных систем теплоснабжения

В мировой практике наиболее широко распространены малые системы солнечного теплоснабжения. Как правило, такие системы включают в себя солнечные коллекторы общей площадью 2-8м2, бак аккумулятор, емкость которого определяется площадью используемых коллекторов, циркуляционный насос или насосы (в зависимости от типа тепловой схемы) и другое вспомогательное оборудование. В небольших системах, циркуляция теплоносителя между коллектором и баком-аккумулятором может осуществяться и без насоса, за счет естественной конвекции (термосифонный принцип). В этом случае бак-аккумулятор должен располагаться выше коллектора. Простейшим типом таких установок является коллектор, спаренный с баком аккумулятором, расположенным на верхнем торце коллектора (рис.4). Системы такого типа используются обычно для нужд горячего водоснабжения в небольших односемейных домах коттеджного типа.

Рис.4 Термосифонная солнечная система теплоснабжения.

На Рис. 5 показан пример активной системы большего размера, в которой бак аккумулятор расположен ниже коллекторов и циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса. Такие системы используются для нужд и горячего водоснабжения и отопления. Как правило, в активных системах, участвующих в покрытии части нагрузки отопления, предусматривается дублирующий источник тепла, использующий электроэнергию или газ.

Рис 5 Тепловая схема активной солнечной системы горячего водоснабжения и отопления

Сравнительно новым явлением в практике использования солнечного теплоснабжения являются крупные системы способные обеспечить нужды горячего водоснабжения и отопления многоквартирных домов или целых жилых кварталов. В таких системах используется либо суточное, либо сезонное аккумулирование тепла.
Суточное аккумулирование предполагает возможность работы системы с использованием накопленного тепла 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. Другим вариантом сезонного аккумулирования является 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.

Тип системы
Площадь коллекторов в расчете на одного человека м2/чел
Объем теплового аккумулятора, л/м2кол
Доля нагрузки горячего водоснабжения покрываемая за счет солнечной энергии %
Доля общей нагрузки, покрываемая за счет солнечной энергии
Стоимость тепла получаемого за счет солнечной энергии для условий Германии Евро/кВтч