Например, энергия солнечного излучения, которое попадает на дом, расположенный в средних широтах, в несколько раз превышает его нужды в отоплении. Несмотря на такие огромные потенциальные возможности, ее использование ограничено из-за рассеянности и низкой концентрации. В средних широтах энергия солнечного излучения не превышает 1800 Вт/м2 вдень, а кроме того, зависит от погодных условий.
Тем не менее, гелиоэнергетика (от греческого helios - солнце) стремительно набирает обороты во всем мире, особенно в развитых странах, которые не располагают запасами естественного топлива, причем не только в южных, но и северных.
Для приема и преобразование энергии солнца применяются гелиоустановки, которые превращают ее или в тепловую (коллекторы), или в электрическую (солнечные батареи). Наиболее простой по технической реализации способ получение тепла за счет прямой абсорбции (поглощение) солнечного излучения с помощью гелиоколлекторов, которые применяются для организации горячего водоснабжения и отопление домов.
Использование солнечной энергии может быть пассивным или активным. В пассивных системах ее поглощение и аккумулирование осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций домов при незначительном использовании дополнительных устройств или без них. Происходит прямая подача солнечных лучей в приборы, которые тепло используют, и объекты без регулирования или с частичным регулированием (в сторону уменьшение их действия). Это выражается в отсутствии в контурах систем каких-нибудь механизмов, которые двигаются.
В этом случае решения будут наиболее простыми и дешевыми, но теплопоступление - неравномерным, а его использование - неполным. Примером могут служить застекленные веранды и лоджии в домах, парники и теплицы, покрытые прозрачной пленкой или стеклом, зачерненные резервуары баки-резервуары для подогрева воды в летний период.
Этот подход нашел отражение в концепции «пассивный дом» (passiv-haus) - современном европейском стандарте строительства и эксплуатации жилья. Цель, которую преследуются при проектировании и строительстве «пассивного дома», - уменьшение потерь тепла зимой, предотвращение перегрева летом и, как следствие, сокращение затрат на отопление и кондиционирование.
Это становится возможным при соблюдении нескольких основных принципов. Конструкция «пассивного дома» имеет за цель оптимальные планировочные решения относительно инсоляции, тщательное утепление всех конструкций, минимизацию потерь тепла через окна. При сооружении домов с пассивным использованием солнечной энергии северную сторону выполняют минимальной высоты и тщательно теплоизолируют. Южную (солнечную) сторону делают максимально высокой и полностью застекленной - это обеспечивает наиболее эффективное использование солнечной энергии.
Вторым, наиболее распространенным типом солнечных тепловых установок - активные системы, в которых солнечные лучи поступают в специальные устройства, где их энергия превратится в тепловую с заданными параметрами. Отсюда тепловая энергия систематически передается теплоносителем к потребителям или установкам, которые аккумулируют. В активных системах вместе с преобразователями задействуются электромоторы, насосы и другие механизмы. Солнечная энергия идет на нагревание воды, освещение, вентиляцию. В результате обеспечивается ее большее полное использование и равномерное снабжение потребителей.
Плоские гелиоколлекторы
Плоский гелиоколлектор представляет собой теплоизолированный короб (преимущественно из алюминиевых сплавов), покрытый сверху противоударным стеклом толщиной 4-5 мм или пластиком, а снизу, эффективной теплоизоляции (стекловаты, базальтового волокна и т.п.). В коробе размещается теплопоглощающая абсорбер-панель (чаще всего металлическая пластина) с высокоселективным покрытием с коэффициентом поглощения 0,94-0,96. с обратной стороны к пластине прикрепленные медные трубки, в которых проходит теплоноситель.
В простых гелиоколлекторах, как теплоноситель, выступает вода или воздух, которые, нагреваясь, используются для разных хозяйственных нужд. Такие системы называются открытыми, или разомкнутыми. Активные системы с открытым контуром популярные в регионах с положительными температурами или при сезонном использовании.
Воздушные коллекторы применяются для отопления помещений. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под влиянием вентилятора.
В более сложных гелиоколлекторах, как теплоноситель, используется специальная незамерзающая жидкость (антифриз), которая циркулирует в замкнутой системе также как это происходит в водной отопительной системе на базе котла.
Чем больше площадь соприкосновения трубок с поверхностью пластины, тем полнее осуществляется передача теплоносителю собранной ею энергии. Этого добиваются по-разному: или медные трубки имеют прямоугольное сечение (широкая сторона соприкосаится с пластиной), или для их создания на медной пластине штампуются специальные канавки.
Действие коллектора основано на том, что солнечное излучение, проникая сквозь прозрачное покрытие короба, поглощается абсорбером, который передает тепло трубкам, расположенным по всей площади коллектора - параллельно друг другу (причем на каждой есть входное и выходное отверстия) или в виде змеевика. Теплоноситель в трубках нагревается и попадает в резервуар, где отдает тепло через теплообменник в бак-аккумулятор.
В Европе все большую популярность приобретают трубчатые солнечные коллекторы. Коллектор с вакуумными трубками представляет собой неглубокую коробку, заполненную стеклянными трубками с двойными стенками - по принципу «труба в трубе». В замкнутом межтрубном пространстве создается вакуум для эффективного уменьшения потерь тепла в результате теплопроводности и конвекции. На внешнюю поверхность внутренней трубы наносится селективное теплопоглощающее покрытие.
Существует множество разных видов трубчатых вакуумированных коллекторов. Один из наиболее эффективных основан на принципе тепловой трубы - heat-pipe. Последняя представляет собой замкнутое испарительно-конденсационное устройство в виде стрежня с легкоиспаряющейся жидкостью, которая помещается в трубу коллектора. Перенос тепла происходит за счет того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки и конденсируется на холодном, а потом снова перетекает на горячий конец.
Годовая эффективность поглощения солнечной энергии трубчатых коллекторов на 20-35 % больше в сравнении с плоскими, однако и стоимость (при одинаковой площади) в несколько раз выше. Их применение в наших условиях ограниченно в связи с неэффективностью работы при минусовых температурах.
Водоснабжение
Бак-аккумулятор в системе горячего водоснабжения на базе гелиоколлектора представляет собой бойлер объемом от 200 до 2000 л (в зависимости от мощности установки), что имеет эффективную теплоизоляцию. В системах кроме солнечного нагревания воды предусмотренный резервный подогрев от электротэнов или от системы отопления с традиционным источником тепла. Бойлеры изготовляются из качественного металла, покрытого специальной эмалью, или с нержавейки. Как и водная система отопления, гелиосистемы различаются:
• по количеству контуров теплоносителя (одноконтурные и двухконтурные);
• по способу циркуляции теплоносителя (с естественной и принудительной циркуляцией).
Одноконтурные предназначены для использования сезонно или в местностях, где нет отрицательных температур на протяжении всего года. Вода должна быть не жесткой и чистой. Двухконтурные могут применяться круглогодично, и качество воды для них не настолько критично.
Каждая из систем может иметь естественную и принудительную циркуляцию теплоносителя. В первом случае (термосифонная система) горячий теплоноситель поднимается вверх, поэтому бак-накопитель должен располагаться выше коллектора. Если такое расположение невозможно или нецелесообразно, должна применяться система с активной циркуляцией, т.е. с помощью циркуляционного насоса.
Наиболее дешевой будет одноконтурная система термосифонного типа. Более дорогой - двухконтурная система с активной циркуляцией и одним или двумя теплообменниками.
Плоские гелиоколлекторы выполняются в разных вариантах сложности и эффективности в зависимости от использующихся устройств и запросов потребителей. Например, солнечный коллектор хорошего качества отечественного производства (с площадью поглощающей панели 188 м2), установленный на широте Львова, в июле при наклоне 35° нагревает 141 л воды с 17 до 55°С. Такой же гелиоколлектор в Ялте при оптимальном наклоне 30° нагревает за день 220 л воды к такой же температуре, что хорошо демонстрирует работу солнечных коллекторов в разных регионах и на разных широтах. Приблизительно такие же технические показатели имеют качественные плоские гелиоколлекторы производства viessmann, vailant, solvis, tepwosolaz.
Наиболее сложные и эффективные современные солнечные системы состоят из солнечных коллекторов плоских, трубчатых, вакуумного типов, насосного модуля, электронной системы регулирования и баков-аккуляторов.
Такие системы могут включать от одного - двух до нескольких десятков и сотен модулей, а баки-аккумуляторы могут иметь объем от нескольких десятков литров до нескольких кубометров воды в зависимости от нужд пользователей. Наиболее популярные солнечные системы для односемейных домов состоят из 2-4 высокоселективных плоских коллекторов, которые обеспечивают 200-300 л горячей воды в сутки.
Чаще всего солнечные коллекторы устанавливают на крышах домов, реже - на стенах в виде козырьков, а иногда на отдельных конструкциях на поверхности земли. Направлены они на юг и должны иметь угол наклона, наиболее эффективный для данной местности. На эффективность коллекторов, кроме того, значительно влияют погодные условия. Так, в пасмурную или дождевую их эффективность снижается наполовину, хотя инфракрасные лучи почти полностью проходят через тучи. В неблагоприятные периоды, в ночное время и зимой вода в баке-аккумуляторе обычно догревается электротэном или другим источником теплоэнергии.
По материалам:
strawhouse.ru