27.09.2019
Системами сонячного теплопостачання називаються системи, що використовують як джерело теплової енергії сонячну радіацію. Їхньою характерною відмінністю від інших систем низькотемпературного опаленняє застосування спеціального елемента - геліоприймача, призначеного для уловлювання сонячної радіації та перетворення її на теплову енергію.
За способом використання сонячної радіації системи сонячного низькотемпературного опалення поділяють на пасивні та активні.
Пасивниминазиваються системи сонячного опалення, в яких як елемент, що сприймає сонячну радіацію і перетворює її в теплоту, служать сама будівля або її окремі огорожі (будівля-колектор, стіна-колектор, покрівля-колектор, рисунок 1).
У пасивних геліосистемах використання сонячної енергії здійснюється виключно за рахунок архітектурно-конструктивних рішень будівель.
У пасивній системі сонячного низькотемпературного опалення будівля-колектор сонячна радіація, проникаючи через світлові отвори до приміщення, потрапляє як би в теплову пастку. Короткохвильове сонячне випромінювання вільно проходить через віконне склоі потрапляючи на внутрішні огорожі приміщення, перетворюється на теплоту. Вся сонячна радіація, що потрапила в приміщення, перетворюється в ньому на теплоту і здатна частково або повністю компенсувати його теплові втрати.
Для підвищення ефективності роботи системи будівля-колектор світлові отвори великої площі поміщають на південному фасаді, забезпечуючи їх жалюзі, які при закритті повинні перешкоджати в темний час доби втратам із противипромінюванням, а в спекотний період у поєднанні з іншими сонцезахисними пристроями - перегріву приміщення. Внутрішні поверхні забарвлюють темні тони.
Завданням розрахунку при даному способі обігріву є визначення необхідної площі світлових прорізів для пропускання в приміщення потоку сонячної радіації, необхідного з урахуванням акумулювання компенсації теплових втрат. Як правило, потужності пасивної системи будівля-колектор в холодний період виявляється недостатньо, і в будівлі встановлюють додаткове теплоджерело, перетворюючи систему на комбіновану. Розрахунком при цьому визначають економічно доцільні площі світлових отворів та потужність додаткового теплоджерела.
Пасивна сонячна система повітряного низькотемпературного опалення "стіна-колектор" включає масивну зовнішню стіну, перед якою на невеликій відстані встановлюють променепрозорий екран із жалюзі. У підлоги та під стелею в стіні влаштовують щілинні отвори з клапанами. Сонячні промені, пройшовши через променепрозорий екран, поглинаються поверхнею масивної стіни і перетворюються на теплоту, яка передається конвекцією повітрі, що знаходиться в просторі між екраном і стіною. Повітря нагрівається і піднімається вгору, потрапляючи через щілинний отвір під стелею в приміщення, що обслуговується, а його місце займає остигле повітря з приміщення, що проникає в простір між стіною і екраном через щілинний отвір біля підлоги приміщення. Подача нагрітого повітря до приміщення регулюють відкриттям клапана. Якщо клапан закритий, відбувається акумуляція теплоти масивом стінки. Цю теплоту можна відібрати конвективним потоком повітря, відкриваючи клапан у нічний час або у похмуру погоду.
При розрахунку такої системи низькотемпературного пасивного сонячного повітряного опалення визначають необхідну площу поверхні стіни. Цю систему дублюють додатковим джерелом теплоти.
активниминазиваються системи сонячного низькотемпературного опалення, у яких геліоприймач є самостійним окремим пристроєм, що не належить до будівлі. Активні геліосистеми можуть бути поділені:
Для активних систем сонячного опалення застосовують геліоприймачі двох типів: концентруючі та плоскі.
Повітря є широко поширеним теплоносієм, що незамерзає у всьому діапазоні робочих параметрів. При застосуванні його в якості теплоносія можливе поєднання систем опалення із системою вентиляції. Однак повітря - малотепломісткий теплоносій, що веде до збільшення витрати металу на влаштування систем повітряного опалення в порівнянні з водяними системами. Вода є теплоємним та широкодоступним теплоносієм. Однак при температурах нижче 0 ◦ C до неї необхідно додавати незамерзаючі рідини. Крім того, слід враховувати, що вода, насичена киснем, викликає корозію трубопроводів та апаратів. Але витрата металу у водяних геліосистемах значно нижча, що значною мірою сприяє ширшому їх застосуванню.
Сезонні геліосистеми гарячого водопостачання зазвичай одноконтурні та функціонують у літні та перехідні місяці, у періоди з позитивною температурою зовнішнього повітря. Вони можуть мати додаткове джерело теплоти або обходитися без нього в залежності від призначення об'єкта, що обслуговується, і умов експлуатації.
Сонячна водонагрівальна установка СВУ (рисунок 2) складається з сонячного колектората теплообмінника-акумулятора. Через сонячний колектор циркулює теплоносій (антифриз). Теплоносій нагрівається в сонячному колекторі енергією Сонця і потім віддає теплову енергію воді через теплообмінник, вмонтований в бакакумулятор. У баку-акумуляторі зберігається гаряча вода до моменту використання, тому він повинен мати хорошу теплоізоляцію. У першому контурі, де розташований сонячний колектор, може використовуватись природна або примусова циркуляція теплоносія. У бак-акумулятор може встановлюватись електричний або будь-який інший автоматичний нагрівач-дублер. У разі зниження температури в баку-акумуляторі нижче встановленої (тривала похмура погода або невелика кількість годин сонячного сяйва взимку) нагрівач-дублер автоматично вмикається і догріває воду до заданої температури.
Геліосистеми опалення будівель зазвичай двоконтурні або найчастіше багатоконтурні, причому для різних контурів можуть бути застосовані різні теплоносії (наприклад, геліоконтури - водні розчини незамерзаючих рідин, в проміжних контурах - вода, а в контурі споживача - повітря). Комбіновані геліосистеми цілорічної дії для цілей теплохолодопостачання будівель багатоконтурні та включають додаткове джерело теплоти у вигляді традиційного теплогенератора, що працює на органічному паливі, або трансформатора теплоти. Принципова схема системи сонячного теплопостачання наведена малюнку 3. Вона включає три контури циркуляції:
Функціонує система сонячного теплопостачання в такий спосіб. Теплоносій (антифриз) теплоприймального контуру, нагріваючись у сонячних колекторах 1, надходить у теплообмінник 3, де теплота антифризу передається воді, що циркулює міжтрубному просторі теплообмінника 3 під дією насоса 8 другого контуру. Нагріта вода надходить у бак-акумулятор 2. З бака-акумулятора вода забирається насосом гарячого водопостачання 8, при необхідності доводиться до необхідної температури в дублері 7 і надходить в систему гарячого водопостачання будівлі. Підживлення бака акумулятора здійснюється з водопроводу. Для опалення вода з бака-акумулятора 2 подається насосом третього контуру 8 калорифер 5, через який за допомогою вентилятора 9 пропускається повітря і, нагрівшись, надходить в будинок 4. У разі відсутності сонячної радіації або нестачі теплової енергії, що виробляється сонячними колекторами, в роботу включається дублер 6. Вибір та компонування елементів системи сонячного теплопостачання у кожному конкретному випадку визначаються кліматичними факторами, призначенням об'єкта, режимом теплоспоживання, економічними показниками.
На малюнку 4 наведено схему системи сонячного опалення енергоефективного екологічно чистого будинку.
В системі як теплоносій використовують: воду при плюсових температурах і антифриз в опалювальний період (сонячний контур), воду (другий контур опалення підлоги) і повітря (третій контур повітряного сонячного опалення).
Як дублююче джерело використано електрокотел, а для акумулювання тепла на одну добу використовується акумулятор об'ємом 5 м 3 з насадкою з гальки. Один кубометр гальки акумулює в середньому протягом дня 5 МДж тепла.
Низькотемпературні системи акумулювання теплоти охоплюють діапазон температур від 30 до 100 °C і використовуються в системах повітряного (30 °C) та водяного (30–90 °C) опалення та гарячого водопостачання (45–60 °C).
Система акумулювання теплоти, як правило, містить резервуар, теплоакумулюючий матеріал, за допомогою якого здійснюється накопичення та зберігання теплової енергії, теплообмінні пристрої для підведення та відведення теплоти при зарядці та розрядженні акумулятора та теплову ізоляцію.
Акумулятори можна класифікувати за характером фізико-хімічних процесів, що протікають у теплоакумулюючих матеріалах:
Найбільш поширені акумулятори теплоти ємнісного типу.
Кількість теплоти Q (кДж), яка може бути накопичена в акумуляторі теплоти ємнісного типу, визначається за формулою
Найбільш ефективним теплоакумулюючим матеріалом у рідинних сонячних системах теплопостачання є вода. Для сезонного акумулювання теплоти перспективне використання підземних водойм, ґрунту гірської породи та інших природних утворень.
Концентруючі геліоприймачі є сферичними або параболічними дзеркалами (рисунок 5.), виконані з полірованого металу, у фокус яких поміщають теплосприймаючий елемент (сонячний котел), через який циркулює теплоносій. Як теплоносій використовують воду або незамерзаючі рідини. При використанні в якості теплоносія води в нічний годинник і в холодний період систему обов'язково спорожняють для запобігання її замерзанню.
Для забезпечення високої ефективності процесу уловлювання та перетворення сонячної радіації концентруючий геліоприймач повинен бути постійно спрямований на Сонце. З цією метою геліоприймач забезпечують системою стеження, що включає датчик напрямку на Сонце, електронний блок перетворення сигналів, електродвигун з редуктором для повороту конструкції геліоприймача у двох площинах.
Перевагою систем з концентруючими геліоприймачами є здатність вироблення теплоти з відносно високою температурою (до 100 ◦ C) і навіть пара. До недоліків слід зарахувати високу вартість конструкції; необхідність постійного очищення поверхонь, що відбивають від пилу; роботу тільки у світлий час доби, а отже потреба в акумуляторах великого об'єму; великі енерговитрати на привід системи стеження за ходом Сонця, порівняні з енергією, що виробляється. Ці недоліки стримують широке застосування активних низькотемпературних систем сонячного опалення з геліоприймачами, що концентрують. У Останнім часомНайчастіше для сонячних низькотемпературних систем опалення застосовують плоскі геліоприймачі.
Плоский сонячний колектор є теплообмінником, призначеним для нагрівання рідини або газу за рахунок сонячної енергії. Область застосування плоских сонячних колекторів - системи опалення житлових і виробничих будівель, системи кондиціювання, системи гарячого водопостачання, а також енергетичні установки з робочим тілом, що працюють низько, і працюють зазвичай за циклом Ренкіна. Плоскі сонячні колектори (малюнки 6 і 7) складаються зі скляного або пластикового покриття (одинарного, подвійного, потрійного), теплосприймаючої панелі, пофарбованої з боку, зверненої до Сонця, в чорний колір, ізоляції на зворотній стороніта корпусу (металевого, пластикового, скляного, дерев'яного).
Як теплосприймаючу панель можна використовувати будь-який металевий або пластмасовий лист з каналами для теплоносія. Виготовляються теплосприймаючі панелі з алюмінію або сталі двох типів: лист-труба та штамповані панелі (труба в листі). Пластмасові панелі через недовговічність та швидке старіння під дією сонячних променів, а також через малу теплопровідність не знаходять широкого застосування. Під дією сонячної радіації теплові панелі розігріваються до температур 70–80 ◦ C, що перевищують температуру довкілля, що веде до збільшення конвективної тепловіддачі панелі в довкілля та її власного випромінювання на небосхил. Для досягнення більш високих температур теплоносія поверхню пластини покривають спектрально-селективними шарами, що активно поглинають короткохвильове випромінювання Сонця і знижують її власне теплове випромінювання в довгохвильовій частині спектра. Такі конструкції на основі «чорного нікелю», «чорного хрому», окису міді на алюмінії, окису міді на міді та інші – дорогі (їх вартість часто можна порівняти з вартістю самої теплосприймаючої панелі). Іншим способом покращення характеристик плоских колекторів є створення вакууму між теплосприймаючою панеллю та прозорою ізоляцією для зменшення теплових втрат (сонячні колектори четвертого покоління).
Принцип дії колектора ґрунтується на тому, що він сприймає сонячну радіацію з досить високим коефіцієнтом поглинання видимого сонячного світла та має порівняно низькі теплові втрати, у тому числі за рахунок низького коефіцієнта пропускання світлопрозорого. скляного покриттядля теплового випромінювання за робочої температури. Зрозуміло, що температура теплоносія, що отримується, визначається тепловим балансом колектора. Прибуткову частину балансу представляє тепловий потік сонячного випромінювання з урахуванням оптичного ККД колектора; видаткова частина визначається видобутим корисним теплом, сумарним коефіцієнтом теплових втрат та різницею робочої температури та навколишнього середовища. Досконалість колектора визначається його оптичним та тепловим ККД.
Оптичний ККД ηо показує, яка частина сонячної радіації, що досягла поверхні скління колектора, виявляється поглиненою абсорбуючої випромінювання чорною поверхнею, і враховує втрати енергії, пов'язані з поглинанням у склі, відображенням та відмінністю коефіцієнта теплового випромінювання абсорбуючої поверхні від одиниці.
Найпростіший сонячний колектор з односкляним світлопрозорим покриттям, пінополіуретановою ізоляцією інших поверхонь та абсорбером, покритим чорною фарбою, має оптичний ККД близько 85%, а коефіцієнт теплових втрат близько 5–6 Вт/(м 2 · К) (рис. 7). Сукупність плоскої променепоглинаючої поверхні та труб (каналів) для теплоносія утворює єдиний конструктивний елемент- Абсорбер. Такий колектор влітку у середніх широтах може нагріти воду до 55–60 ◦C і має денну продуктивність у середньому 70–80 л води з 1 м 2 поверхні нагрівача.
Для отримання більш високих температур застосовують колектори із вакуумованих труб із селективним покриттям (рисунок 8).
У вакуумному колекторі об'єм, в якому знаходиться чорна поверхня, що поглинає сонячне випромінювання, відокремлений від навколишнього середовища вакуумованим простором (кожен елемент абсорбера поміщається в окрему скляну трубу, усередині якої створюється вакуум), що дозволяє практично повністю усунути втрати теплоти в навколишнє середовище за рахунок теплопровідності та конвекції. Втрати випромінювання значною мірою пригнічуються з допомогою застосування селективного покриття. У вакуумному колекторі теплоносій можна нагріти до 120–150 °C. ККД вакуумного колектора суттєво вище, ніж плоского колектора, але й коштує він значно дорожче.
Ефективність роботи геліоенергетичних установок багато в чому залежить від оптичних властивостей поверхні, що поглинає сонячне проміння. Для зведення до мінімуму втрат енергії необхідно, щоб у видимій та ближній інфрачервоних областях сонячного спектру коефіцієнт поглинання цієї поверхні був якомога ближче до одиниці, а в області довжин хвиль власного теплового випромінювання поверхні до одиниці повинен прагнути коефіцієнт відображення. Таким чином, поверхня повинна мати селективні властивості - добре поглинати короткохвильове випромінювання і добре відображати довгохвильове.
За типом механізму, відповідального за вибірковість оптичних властивостей, розрізняють чотири групи селективних покриттів:
Власною вибірковістю оптичних властивостей має невелике число відомих матеріалівнаприклад W, Cu 2 S, HfC.
Найбільшого поширення набули двошарові селективні покриття. На поверхню, якій необхідно надати селективні властивості, наноситься шар з великим коефіцієнтом відображення в довгохвильовій ділянці спектра, наприклад, мідь, нікель, молібден, срібло, алюміній. Поверх цього шару наноситься шар, прозорий у довгохвильовій ділянці, але має високий коефіцієнт поглинання у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру. Такими властивостями володіють багато оксидів.
Селективність поверхні може бути забезпечена за рахунок чисто геометричних факторів: нерівності поверхні повинні бути більшими за довжину хвилі світла у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру і менше за довжину хвилі, що відповідає власному тепловому випромінюванню поверхні. Така поверхня для першої із зазначених областей спектра буде чорною, а для другої – дзеркальною.
Селективні властивості мають поверхні з дендритною або пористою структурою при відповідних розмірах дендритних голок або пор.
Інтерференційні селективні поверхні утворені кількома шарами металу і діелектрика, що перемежуються, в яких короткохвильове випромінювання гаситься за рахунок інтерференції, а довгохвильове - вільно відображається.
За даними МЕА до кінця 2001 р. сумарна площа встановлених колекторів у 26 країнах, найбільш активних у цьому відношенні, склала близько 100 млн м 2 , з яких 27,7 млн м 2 припадає на частку несклених колекторів, що в основному використовуються для підігріву води в басейни. Інші - плоскі засклені колектори та колектори з вакуумованими трубами - використовувалися в системах ГВП або для опалення приміщень. За площею встановлених колекторів, що припадає на 1000 жителів, лідирують Ізраїль (608 м2), Греція (298) та Австрія (220). Потім йдуть Туреччина, Японія, Австралія, Данія та Німеччина з питомою площею встановлених колекторів 118–45 м 2 /1000 мешканців.
Загальна площа сонячних колекторів, встановлених до кінця 2004 р., у країнах ЄС досягла 13,96 млн м2, а у світі вже перевищила 150 млн м2. Щорічний приріст площі сонячних колекторів у Європі в середньому становить 12%, а в окремих країнах становить 28–30% і більше. Світовий лідер за кількістю колекторів на тисячу жителів - Кіпр, де 90% будинків обладнано сонячними установками (на тисячу жителів тут припадає 615,7 м 2 сонячних колекторів), за ним йдуть Ізраїль, Греція та Австрія. Абсолютним лідером за площею встановлених колекторів у Європі є Німеччина - 47%, далі слідує Греція - 14%, Австрія -12%, Іспанія - 6%, Італія - 4%, Франція - 3%. Європейські країни - безперечні лідери у розробці нових технологій систем сонячного теплопостачання, проте сильно поступаються Китаю в обсягах введення в експлуатацію нових сонячних установок.
Із загальної площі сонячних колекторів, встановлених у світі 2004 р., 78% встановлено у Китаї. Ринок СВУ у Китаї останнім часом зростає з темпом 28% на рік.
У 2007 р. загальна площа сонячних колекторів, встановлених у світі, вже становила 200 млн м2, у тому числі в Європі – понад 20 млн м2.
Сьогодні на світовому ринку вартість СВУ (рисунок 9), що включає колектор площею 5-6м 2 , бак-акумулятор ємністю близько 300 л і необхідну арматуру, становить 300-400 доларів США в розрахунку на 1 м 2 колектора. Такі системи переважно встановлюються в індивідуальних одно- та двосімейних будинках та мають резервний нагрівач (електро- або газовий). При установці бака-акумулятора вище за колектор система може працювати на природній циркуляції (термосифонний принцип); при встановленні бака-акумулятора у підвалі - на примусовій.
У світовій практиці найбільш поширені малі системи сонячного теплопостачання. Як правило, такі системи включають сонячні колектори загальною площею 2-8 м 2 , бак-акумулятор, ємність якого визначається площею встановлених колекторів, циркуляційний насос(залежно від типу теплової схеми) та інше допоміжне обладнання.
Активні системи великого розміру, в яких бак-акумулятор знаходиться нижче за колектори і циркуляція теплоносія здійснюється за допомогою насоса, застосовуються для потреб гарячого водопостачання та опалення. Як правило, в активних системах, що беруть участь у покритті частини навантаження опалення, передбачається дублююче джерело тепла, що працює на електроенергії або газі.
Порівняно нове явище у практиці використання сонячного теплопостачання – великі системи, здатні забезпечити потреби гарячого водопостачання та опалення багатоквартирних будинківчи цілих житлових кварталів. У таких системах передбачено або добове або сезонне акумулювання тепла. Добове акумулювання передбачає можливість роботи системи із витрачанням тепла, накопиченого протягом кількох діб, сезонне – протягом кількох місяців. Для сезонного акумулювання тепла використовують великі підземні резервуари, наповнені водою, які скидаються всі надлишки тепла, одержуваного від колекторів протягом літа. Інший варіант сезонного акумулювання - прогрів ґрунту за допомогою свердловин з трубами, якими циркулює гаряча вода, що надходить від колекторів.
У таблиці 1 наведено основні параметри великих сонячних систем із добовим та сезонним акумулюванням тепла порівняно з малою сонячною системою для односімейного будинку.
Таблиця 1. - Основні параметри сонячних систем теплопостачання В даний час у Європі функціонують 10 сонячних систем теплопостачання з площею колекторів від 2400 до 8040 м2, 22 системи з площею колекторів від 1000 до 1250 м2 та 25 систем з площею колекторів від 500 до 1000 м2. Нижче наведено характеристики деяких великих систем.
Hamburg (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 14800 м 2 . Площа сонячних колекторів – 3000 м 2 . Об'єм водяного акумулятора тепла - 4500 м 3 .
Fridrichshafen (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 33000 м 2 . Площа сонячних колекторів – 4050 м 2 . Об'єм водяного акумулятора тепла - 12000 м 3 .
Ulm-am-Neckar (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 25000 м 2 . Площа сонячних колекторів – 5300 м 2 . Об'єм ґрунтового акумулятора тепла - 63400 м 3 .
Rostock (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 7000 м 2 . Площа сонячних колекторів – 1000 м 2 . Об'єм ґрунтового акумулятора тепла - 20000 м 3 .
Hemnitz (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 4680 м 2 . Площа вакуумних сонячних колекторів – 540 м 2 . Об'єм гравійно-водяного акумулятора тепла - 8000 м 3 .
Attenkirchen (Німеччина). Площа опалювальних приміщень – 4500 м 2 . Площа вакуумних сонячних колекторів – 800 м 2 . Об'єм ґрунтового акумулятора тепла - 9850 м 3 .
Saro (Швеція). Система складається із 10 невеликих будинків, що включають 48 квартир. Площа сонячних колекторів – 740 м 2 . Об'єм водяного акумулятора тепла - 640 м 3 . Сонячна система покриває 35% загального теплового навантаження системи теплопостачання.
Нині у Росії є кілька фірм, що випускають сонячні колектори, придатні надійної експлуатації. Основні з них – це Коврівський механічний завод, НУО Машинобудування та ЗАТ Альтен.
Колектори Коврівського механічного заводу (рисунок 10), що не мають селективного покриття, дешеві та прості за конструкцією, орієнтовані в основному на внутрішній ринок. У Краснодарському країнаразі встановлено понад 1500 колекторів такого типу.
Колектор НУО Машинобудування за характеристиками близький до європейських стандартів. Абсорбер колектора виконаний з алюмінієвого сплаву з селективним покриттям та розрахований головним чином на роботу у двоконтурних схемах теплопостачання, оскільки прямий контакт води з алюмінієвими сплавамиможе призвести до пітингової корозії каналів, якими проходить теплоносій.
Колектор АЛЬТЕН-1 має абсолютно нову конструкцію та задовольняє європейським стандартам, його можна використовувати як в одноконтурних, так і двоконтурних схемах теплопостачання. Колектор відрізняється високими теплотехнічними характеристиками, широким діапазоном можливих застосувань, малою вагою та привабливим дизайном.
Досвід експлуатації установок на основі сонячних колекторів виявив низку недоліків подібних систем. Насамперед це висока вартість колекторів, пов'язана із селективними покриттями, підвищенням прозорості скління, вакуумуванням і т. д. Істотним недоліком є необхідність частого очищення скла від пилу, що практично виключає застосування колектора в промислових районах. При тривалій експлуатації сонячних колекторів, особливо в зимових умовах, спостерігається частий вихід їх з-за нерівномірності розширення освітлених і затемнених ділянок скла за рахунок порушення цілісності скління. Відзначається також великий відсоток виходу з ладу колекторів під час транспортування та монтажу. Значним недоліком роботи систем із колекторами є також нерівномірність завантаження протягом року та доби. Досвід експлуатації колекторів в умовах Європи та європейської частини Росії при високій частці дифузної радіації (до 50%) показав неможливість створення цілорічної автономної системигарячого водопостачання та опалення. Усі геліосистеми із сонячними колекторами в середніх широтах вимагають пристрою великих за обсягом баків-акумуляторів та включення до системи додаткового джерела енергії, що знижує економічний ефект від їх застосування. У зв'язку з цим найбільше доцільно їх використання в районах з високою інтенсивністю сонячної радіації (не нижче 300 Вт/м 2 ).
У житлових та адміністративних будівляхсонячну енергію переважно використовують у формі тепла задоволення потреб у гарячому водопостачанні, опаленні, охолодженні, вентиляції, сушіння тощо.
Використання сонячного тепла з економічної точкизору найбільш вигідно при створенні систем гарячого водопостачання та близьких до них з технічного втілення установок для підігріву води (в басейнах, промислових пристроях). Гаряче водопостачання необхідне в кожному житловому будинку, і оскільки потреби в гарячій воді відносно мало змінюються протягом року, ефективність таких установок висока і вони швидко окупаються.
Що стосується систем сонячного опалення, то період їх використання протягом року короткий, в опалювальний період інтенсивність сонячного випромінювання низька і відповідно площа колекторів значно більша, ніж у системах гарячого водопостачання, та економічна ефективність нижча. Зазвичай при проектуванні поєднують систему сонячного опалення та гарячого водопостачання.
У системах сонячного охолодження період експлуатації ще нижчий (три літні місяці), що тягне до тривалого простою обладнання та дуже низького коефіцієнта їх використання. З урахуванням високої вартості обладнання для охолодження економічна ефективність систем стає мінімальною.
Річний коефіцієнт використання обладнання в комбінованих системах теплохолодопостачання (гаряче водопостачання, опалення та охолодження) виходить найбільш високим, і ці системи на перший погляд вигідніші, ніж комбіновані системи опалення та гарячого водопостачання. Однак якщо при цьому врахувати вартість необхідних сонячних колекторів та механізмів системи охолодження, то виявиться, що такі сонячні установки будуть дуже дорогими та навряд чи стануть економічно вигідними.
При створенні систем сонячного опалення слід застосовувати пасивні схеми, що передбачають підвищення теплоізоляції будівлі та ефективне використання сонячного випромінювання, що надходить через віконні отвори. Проблему теплоізоляції необхідно вирішувати на основі архітектурно-конструктивних елементів з використанням малотеплопровідних матеріалів та конструкцій. Тепло, що бракує, рекомендується заповнювати за допомогою активних сонячних систем.
Основна проблема широкого використання сонячних установок пов'язана з недостатньою економічною ефективністю в порівнянні з традиційними системами теплопостачання. Вартість теплової енергії в установках із сонячними колекторами вища, ніж в установках із традиційними паливами. Термін окупності сонячної теплової установки T ок можна визначити за такою формулою:
Економічний ефект установки сонячних колекторів у зонах централізованого енергопостачання Е може бути визначений як дохід від продажу енергії в період всього терміну служби установки за вирахуванням витрат експлуатації:
У таблиці 2 подано вартість систем сонячного теплопостачання (у цінах 1995 р.). Дані показують, що вітчизняні розробки в 2,5–3 рази дешевші за зарубіжні.
Низька ціна вітчизняних систем пояснюється тим, що вони виконані з дешевих матеріалів, прості за конструкцією та орієнтовані на внутрішній ринок.
Таблиця 2. - Вартість систем сонячного теплопостачання Питомий економічний ефект (Е/S) у зоні централізованого теплопостачання, залежно від терміну служби колекторів, становить від 200 до 800 руб/м 2 .
Набагато більший економічний ефект мають установки теплопостачання із сонячними колекторами у регіонах, віддалених від централізованих енергомереж, які у Росії становлять понад 70% її території з населенням близько 22 млн осіб. Ці установки призначені для роботи в автономному режимі на індивідуальних споживачів, де потреби теплової енергії дуже значні. У той же час вартість традиційних палив набагато вища за їхню вартість у зонах централізованого теплопостачання через транспортні витрати та втрати палива при транспортуванні, тобто у вартість палива в регіоні Ц тр включається регіональний фактор r р:
де r р > 1 і різних регіонів може змінювати свою величину. У той самий час питома вартість установки C майже змінюється проти Ц тр. Тому при заміні Ц т на Ц тр у формулах
розрахований термін окупності автономних установок у зонах, віддалених від централізованих мереж, зменшується в r р разів, а економічний ефект зростає пропорційно r р.
У сьогоднішніх умовах Росії, коли ціни на енергоносії постійно зростають і мають нерівномірність по регіонах через умови транспортування, вирішення питання про економічну доцільність використання сонячних колекторів залежить від місцевих соціально-економічних, географічних і кліматичних умов.
З погляду безперебійного забезпечення споживача енергією найефективнішими є комбіновані технологічні системи, що використовують два і більше види ВДЕ.
За рахунок сонячної теплової енергії можна повністю забезпечити потреби у гарячій воді в будинку влітку. В осінньо-весняний період від Сонця можна отримати до 30% необхідної енергії на опалення та до 60% від потреб на гаряче водопостачання.
У Останніми рокамиактивно розвиваються геотермальні системи теплопостачання з урахуванням теплових насосів. У таких системах, як зазначалося вище, як первинне джерело тепла використовується низькопотенційна (20–40 ◦ C) термальна вода або петротермальна енергія верхніх шарів земної кори. При використанні тепла ґрунту застосовуються ґрунтові теплообмінники, які розміщуються або у вертикальних свердловинах глибиною 100-300 м, або на деякій глибині горизонтально.
Для ефективного забезпечення теплом та гарячою водоюдецентралізованих споживачів невеликої потужності в ІПГ ДНЦ РАН розроблено комбіновану сонячно-геотермальну систему (рисунок 11).
Така система складається із сонячного колектора 1, теплообмінника 2, бака-акумулятора 3, теплового насоса 7 та свердловини-теплообмінника 8. Через сонячний колектор циркулює теплоносій (антифриз). Теплоносій нагрівається в сонячному колекторі енергією Сонця і потім віддає теплову енергію воді через теплообмінник 2, вмонтований в бак-акумулятор 3. У баку-акумуляторі зберігається гаряча вода до моменту її використання, тому він повинен мати хорошу теплоізоляцію. У першому контурі, де розташований сонячний колектор, може використовуватись природна або примусова циркуляція теплоносія. У бак-акумулятор вмонтовано та електричний нагрівач 6. У разі зниження температури в баку-акумуляторі нижче встановленої (тривала похмура погода або мала година сонячного сяйва взимку) електронагрівник автоматично вмикається і догріває воду до заданої температури.
Блок сонячного колектора експлуатується цілий рік і забезпечує споживача гарячою водою, а блок низькотемпературного опалення підлоги з тепловим насосом (ТН) і свердловиною-теплообмінником глибиною 100-200 м включається в експлуатацію тільки в опалювальний період.
У циклі ТН холодна вода з температурою 5 ◦ C опускається в міжтрубному просторі свердловини-теплообмінника та відбирає низькопотенційне тепло з навколишньої гірської породи. Далі нагріта залежно від глибини свердловини до температури 10–15 ◦ C вода піднімається центральною колоною труб на поверхню. Для запобігання зворотному відтоку тепла центральна колона зовні теплоізольована. На поверхні вода зі свердловини надходить у випарник ТН, де відбувається нагрівання та випаровування низькокиплячого робочого агента. Після випарника охолоджена вода знову прямує у свердловину. За опалювальний період при постійній циркуляції води у свердловині відбувається поступове охолодження гірської породи навколо свердловини.
Розрахункові дослідження показують, що радіус фронту охолодження за опалювальний період може досягати 5-7 м. У міжопалювальний період, коли система опалення відключається, відбувається часткове (до 70%) відновлення температурного поля навколо свердловини за рахунок припливу тепла від порід поза зоною охолодження; досягти повного відновленнятемпературного поля навколо свердловини за час її простою не вдається.
Сонячні колектори встановлюються з розрахунку для зимового періодуексплуатації системи, коли сонячне сяйво мінімальне. У літній період частина гарячої водиз бака-акумулятора направляється в свердловину для повного відновлення температури гірської породинавколо свердловини.
У міжопалювальний період вентилі 13 і 14 закриті, і при відкритих вентилях 15 і 16 гаряча вода з бака акумулятора циркуляційним насосом закачується в міжтрубний простір свердловини, де в міру спуску відбувається теплообмін з гірською породою, що оточує свердловину. Далі охолоджена вода центральною теплоізольованої колони направляється назад в бак-акумулятор. В опалювальний період навпаки вентилі 13 та 14 відкриті, а вентилі 15 та 16 закриті.
У запропонованій технологічній системі потенціал сонячної енергії використовується на нагрівання води у системі гарячого водопостачання та гірських порід навколо свердловини у системі низькотемпературного опалення. Регенерація тепла в гірській породі дозволяє експлуатувати систему теплопостачання економічно оптимальному режимі.
Сонце - значне джерело енергії на планеті Земля. Сонячна енергетика часто стає предметом найрізноманітніших дискусій. Як тільки з'являється проект нової сонячної електростанції, виникають питання про ефективність, потужність, обсяги інвестованих коштів та терміни окупності.
Є вчені, які вбачають у сонячних теплових електростанціях загрозу для навколишнього середовища. Дзеркала, що використовуються в теплових сонячних електростанціях, дуже сильно нагрівають повітря, що призводить до зміни клімату і до смерті птахів, що пролітають повз. Незважаючи на це, в останні роки сонячні теплові електростанції набувають все більшого поширення. У 1984 році почала працювати перша сонячна електростанція біля каліфорнійського міста Крамер Джанкшен у пустелі Мохабе (рис. 6.1). Станція отримала назву Solar Energy Generating System або скорочено SEGS.
Мал. 6.1. Сонячна електростанція у пустелі Мохабе На даній електростанції сонячну радіацію використовують для отримання пари, яка обертає турбіну та виробляє електроенергію. Виробництво сонячної теплової електроенергії у великих масштабах досить конкурентоспроможне. Наразі енергокомпаніями США вже побудовано сонячні теплові електростанції загальною встановленою потужністю понад 400 МВт, які забезпечують електрикою 350 000 осіб та заміщають 2,3 млн барелів нафти на рік. Дев'ять електростанцій, що розташовані в пустелі Мохабе, мають 354 МВт встановленої потужності. В інших регіонах світу також незабаром мають розпочати проекти з використання сонячного тепла для вироблення електроенергії. Індія, Єгипет, Марокко та Мексика розробляють відповідні програми. Ґранти для їх фінансування надає Глобальна програма захисту навколишнього середовища (GEF). У Греції, Іспанії та США нові проекти розробляються незалежними виробниками електроенергії.
За способом виробництва тепла сонячні теплові електростанції поділяють на сонячні концентратори (дзеркала) та сонячні ставки.
Теплові сонячні електростанції концентрують сонячну енергію за допомогою лінз та рефлекторів. Так як це тепло можна зберігати, такі станції можуть виробляти електрику в міру потреби, вдень і вночі, у будь-яку погоду. Великі дзеркала - з точковим або лінійним фокусом - концентрують сонячні промені настільки, що вода перетворюється на пару, виділяючи при цьому достатньо енергії для того, щоб обертати турбіну. Ці системи можуть перетворювати сонячну енергію на електрику з ККД близько 15%. Всі теплові електростанції, окрім сонячних ставків, для досягнення високих температур застосовують концентратори, які відбивають світло Сонця з більшої поверхні на меншу поверхню приймача. Зазвичай така система складається з концентратора, приймача, теплоносія, акумулюючої системи та системи передачі енергії. Сучасні технології включають параболічні концентратори, сонячні параболічні дзеркала та геліоенергетичні установки баштового типу. Їх можна комбінувати з установками, що спалюють викопне паливо, а в деяких випадках адаптувати для акумуляції тепла. Основна перевага такої гібридизації та теплоакумуляції — це те, що така технологія може забезпечувати диспетчеризацію виробництва електрики, тобто вироблення електроенергії може проводитись у періоди, коли вона потребує. Гібридизація та акумулювання тепла можуть підвищити економічну цінність виробленої електрики та знизити її середню вартість.
У деяких теплових сонячних електростанціях використовуються параболічні дзеркала, які концентрують сонячне світло на приймальних трубках, що містять рідину-теплоносій. Ця рідина нагрівається до 400 ºC і прокачується через ряд теплообмінників; при цьому виробляється перегріта пара, що приводить в рух звичайний турбогенератор для виробництва електрики. Для зниження теплових втрат приймальну трубку може оточувати прозора скляна трубка, вміщена вздовж фокусної лінії циліндра. Як правило, такі установки включають одновісні або двовісні системи стеження за Сонцем. У поодиноких випадках вони є стаціонарними (рис. 6.2).
Мал. 6.2. Сонячна установка з параболічним концентратором Оцінки даної технології показують більш високу вартість електроенергії, що виробляється, ніж у інших сонячних теплових електростанцій. Це низькою концентрацією сонячного випромінювання, нижчими температурами. Однак, за умови накопичення досвіду експлуатації, покращення технології та зниження експлуатаційних витрат параболічні концентратори можуть бути найменш дорогою та найнадійнішою технологією найближчого майбутнього.
Сонячні установки тарілчастого типу є батареєю параболічних тарілкових дзеркал схожих формою із супутниковою тарілкою, які фокусують сонячну енергію на приймачі, розташовані у фокусній точці кожної тарілки (рис. 6.3). Рідина у приймачі нагрівається до 1000 ºС і безпосередньо застосовується для виробництва електрики у невеликому двигуні та генераторі, з'єднаному з приймачем.
Мал. 6.3. Сонячна установка тарілчастого типу Висока оптична ефективність та малі початкові витрати роблять системи дзеркал/двигунів найбільш ефективними з усіх геліотехнологій. Системі з двигуна Стірлінга та параболічного дзеркала належить світовий рекорд щодо ефективності перетворення сонячної енергії на електрику. У 1984 році на Ранчо Міраж в штаті Каліфорнія вдалося досягти практичного ККД 29%. Завдяки модульному проектуванню, такі системи є оптимальний варіантзадоволення потреб у електроенергії як автономних споживачів, так гібридних, які працюють на загальну мережу.
Сонячні електростанціїбаштового типу з центральним приймачем Сонячні електростанції баштового типу з центральним приймачем використовують обертове поле відбивачів-геліостатів. Вони фокусують сонячне світло на центральний приймач, споруджений на вершині башти, який поглинає теплову енергію і приводить у дію турбогенератор (рис. 6.4, рис. 6.5).
Мал. 6.4. Сонячна електростанція баштового типу із центральним приймачем Двовісна система стеження, що керується комп'ютером, встановлює геліостати так, щоб відбиті сонячні промені були нерухомі і завжди падали на приймач. Рідина, що циркулює в приймачі, переносить тепло до теплового акумулятора у вигляді пари. Пар обертає турбіну для вироблення електроенергії, або безпосередньо використовується в промислових процесах. Температури приймача досягають від 500 до 1500 ºC. Завдяки акумулюванню тепла баштові електростанції стали унікальною геліотехнологією, що дозволяє виробляти електроенергію за заданим графіком.
Мал. 6.5. Сонячна баштова електростанція «Solar Two» у Каліфорнії Ані фокусуючі дзеркала, ані сонячні фотоелементи не можуть виробляти енергію вночі. Для цього сонячну енергію, накопичену вдень, потрібно зберігати в теплоакумулюючих баках. Цей процес природним чином відбувається у про сонячних ставках (рис. 6.6).
Мал. 6.6. Схема влаштування сонячного ставка Сонячні ставки мають високу концентрацію солі у придонних шарах води, неконвективний середній шар води, в якому концентрація солі зростає з глибиною та конвекційний шар із низькою концентрацією солі – на поверхні. сонячне світлопадає на поверхню ставка, і тепло утримується в нижніх шарах води завдяки високій концентрації солі. Вода високої солоності, нагріта поглиненою дном ставка сонячною енергією, не може піднятися через свою високу щільність. Вона залишається біля дна ставка, поступово нагріваючись, доки майже не закипає. Гарячий придонний розсіл використовується вдень або вночі як джерело тепла, завдяки якому особлива турбіна з органічним теплоносієм може виробляти електрику. Середній шар сонячного ставка виступає як теплоізоляція, перешкоджаючи конвекції і втрат тепла з дна на поверхню. Різниця температур на дні та на поверхні води ставка достатня для того, щоб привести в дію генератор. Теплоносій, пропущений трубами через нижній шар води, подається далі в замкнуту систему Ренкина, в якій обертається турбіна для виробництва електрики.
Сонячні електростанції баштового типу з центральним приймачем і сонячні електростанції з параболічними концентраторами оптимально працюють у складі великих, з'єднаних з мережею електростанцій потужністю 30-200 МВт, тоді як сонячні електростанції тарілчастого типу складаються з модулів і можуть використовуватися як автономних установках, так і групами загальною потужністю в кілька мегават.
Таблиця 6.1 Характеристики сонячних теплових електростанцій Сонячні параболічні концентратори — на сьогоднішній день найбільш розвинута із сонячних енергетичних технологій і саме вони, ймовірно, будуть використовуватися в найближчій перспективі. Електростанції баштового типу з центральним приймачем завдяки своїй ефективній теплоакумулюючій здатності також можуть стати сонячними електростанціями недалекого майбутнього. Модульний характер установок тарілчастого типу дозволяє використовувати їх у невеликих установках. Сонячні електростанції баштового типу з центральним приймачем та встановлення тарілчастого типу дозволяють досягти більш високих значень ККД перетворення сонячної енергії на електричну за меншої вартості, ніж у електростанцій із сонячними параболічними концентраторами. У табл. 6.1 наведено основні характеристики трьох варіантів сонячної теплової електрогенерації.
Головним критерієм затишку у приватному котеджі чи квартирі є тепло. У холодному будинку навіть найшикарніша обстановка не допоможе створити комфортних умов. Але щоб оптимальна для проживання температура підтримувалася в приміщенні не лише влітку, а й узимку знадобиться монтаж системи опалення.
Зробити це сьогодні можна легко, придбавши як джерело тепла газовий, дизельний або електричний котел. Але проблема полягає в тому, що паливо для такого обладнання коштує дорого та доступно не у всіх населених пунктах. Що тоді вибрати? Найкращим рішенням є альтернативні джерела тепла і, зокрема, сонячне опалення.
Що ж така система? Насамперед слід сказати, що є два варіанти сонячного опалення. Вони передбачають використання різних як у конструктивному плані, так і за призначенням елементів:
І якщо обладнання першого типу призначене для підтримки в приміщенні комфортної температури, то сонячні панелі для опалення будинку можуть застосовуватися для отримання електрики і тепла. Їх принцип роботи заснований на перетворенні енергії сонця та накопиченні її в акумуляторах, щоб потім використовувати для різних потреб.
Дивимося відео, все про цей колектор:
Застосування колектора дозволяє організувати тільки сонячне опалення системи для приватного будинку, при цьому використовується теплова енергія. Такий пристрій діє в такий спосіб. Сонячні промені підігрівають воду, яка є теплоносієм і надходить із трубопровід. Ця ж система може використовуватися і як гаряче водопостачання. До складу входять спеціальні фотоелементи.
Пристрій колектора
Але крім них у комплектацію сонячного опалення включено:
Сонячні батареї для опалення будинку розміщуються на даху. У ньому вода нагріваючись переміщається в аванкамеру, де відбувається її заміна гарячим теплоносієм. Це дозволяє підтримувати у системі постійний динамічний тиск.
Найпростіший спосіб перетворення енергії світила на тепло – це використання сонячних батарей для опалення будинку. Вони все частіше використовуються як додаткові джерела енергії. Але що ж є ці пристрої і чи дійсно вони ефективні?
Дивимося відео, види та їх особливості роботи:
Завдання, встановленого на даху колектора сонячної системи опалення для будинку ввібрати якнайбільше сонячного випромінювання, перетворивши його потім на таку необхідну людині енергію. Але при цьому слід враховувати, що воно може бути перетворене як на теплову, так і електричну енергію. Для отримання тепла та підігріву води використовують сонячні системи опалення. Для отримання електричного струму використовують спеціальні батареї. Вони акумулюють енергію вдень і віддають її вночі. Проте сьогодні є й комбіновані системи. У них сонячні панелі виробляють одночасно тепло та електрику.
Щодо сонячних водонагрівачів для опалення будинку, то вони представлені на ринку широкою лінійкою. Причому моделі можуть мати різне призначення, дизайн, принцип роботи, габарити.
Різні варіанти
Наприклад, за зовнішньому виглядута конструкції системи опалення приватного будинку поділяються на:
За призначенням вони класифікуються на використовувані для:
Є відмінності та принцип роботи. Сонячне опалення із застосуванням колекторів є ідеальним вибором для дачних будиночків, тому що не вимагають підключення до електромережі. Моделі з примусовою циркуляцією підключають до загальної системи опалення, циркуляція теплоносія в них здійснюється за допомогою насоса.
Дивимося відео, порівнюємо плоский та трубчастий колектор:
Не всі колектори придатні для сонячного опалення заміського будинку. Відповідно до цього критерію вони поділяються на:
Перші застосовуються для опалення дачних будівель, другі у приватних домоволодіннях.
Якщо порівнювати це обладнання з газовим або електричним, воно має набагато більше переваг. Насамперед це економія палива. Влітку сонячне опалення здатне повністю забезпечити мешканців будинку гарячою водою. Восени та навесні, коли ясні дні мало, обладнання можна використовувати для зниження навантаження на стандартний котел. Що стосується зимової пори, то зазвичай у цей час ефективність роботи колекторів дуже мала.
Дивимося відео, ефективність колекторів взимку:
Але окрім економії палива використання обладнання, що працює на сонячних батареях, знижує залежність від газу та електрики. Для встановлення сонячного опалення не потрібно отримувати дозвіл та встановити його зможе кожен, хто має елементарні знання у сантехніці.
Дивимося відео, критерії підбору обладнання:
Ще один плюс - це велика тривалість роботи колектора. Гарантований термін служби обладнання становить не менше 15 років, отже, на цей період ваші комунальні платежі будуть мінімальними.
Однак, як і будь-який пристрій у колектора є деякі недоліки:
Є ще один нюанс. Ефективність роботи сонячного опалення залежить від регіону. У південних районах, де активність сонця високе обладнання матиме найбільший ККД. Тому найвигідніше використовувати таке обладнання на півдні і менш ефективним воно буде на півночі.
Перш ніж приступати до встановлення обладнання, що входить до опалювальної системи, необхідно вивчити його можливості. Для того, щоб дізнатися скільки тепла потрібно на обігрів будинку, необхідно розрахувати його площу. Важливо правильно вибрати місце для встановлення сонячного колектора. Воно має бути максимально освітленим протягом дня. Тому зазвичай обладнання встановлюються на південній частині даху.
Виконання монтажних робіткраще довірити спеціалістам, тому що навіть невелика помилка в установці системи сонячного опалення призведе до значного зниження ефективності системи. Тільки за правильної установкисонячного колектора він прослужить до 25 років, причому повністю окупивши себе за перші 3 роки.
Основні типи колекторів та їх характеристики
Якщо будівля з якихось причин не підходить для встановлення обладнання, то можна розмістити панелі на сусідній будівлі, а накопичувач поставити у підвалі.
Нюанси, на які варто звернути увагу при виборі цієї системи, були розглянуті вище. І якщо ви все зробили правильно, ваша система опалення на сонячних колекторах доставить вам тільки приємні моменти. Серед її переваг слід зазначити:
Єдине, що зупиняє споживачів від придбання сонячної системи для опалення приватного будинку – це залежність їхньої роботи від географії проживання. Якщо у вашому регіоні ясні дні є рідкістю, то ефективність обладнання буде мінімальною.
Підготували студенти Групи Б3ТПЕН31
Системами сонячного теплопостачання називаються системи, що використовують як джерело теплової енергії сонячну радіацію. Їхньою характерною відмінністю від інших систем низькотемпературного опалення є застосування спеціального елемента – геліоприймача, призначеного для уловлювання сонячної радіації та перетворення її на теплову енергію.
За способом використання сонячної радіації системи сонячного низькотемпературного опалення поділяють на пасивні та активні.
Пасивними називаються системи сонячного опалення, в яких як елемент, що сприймає сонячну радіацію і перетворює її в теплоту, служать сама будівля або її окремі огорожі (будівля-колектор, стіна-колектор, покрівля-колектор і т.п.
Пасивна низькотемпературна система сонячного опалення “стіна-колектор”: 1 – сонячне проміння; 2 – променепрозорий екран; 3 – повітряна заслінка; 4 – нагріте повітря; 5 – охолоджене повітря із приміщення; 6 – власне довгохвильове теплове випромінювання масиву стіни; 7 – чорна променевосприймаюча поверхня стіни; 8 – жалюзі.
Активними називаються системи сонячного низькотемпературного опалення, де геліоприймач є самостійним окремим пристроєм, що не належить до будівлі. Активні геліосистеми можуть бути поділені:
за призначенням (системи гарячого водопостачання, опалення, комбіновані системи з метою теплохолодопостачання);
по виду теплоносія, що використовується (рідинні - вода, антифриз і повітряні);
за тривалістю роботи (цілорічні, сезонні);
з технічного рішення схем (одно-, дво-, багатоконтурні).
можуть бути класифіковані за різними критеріями:
за призначенням:
1. системи гарячого водопостачання (ГВП);
2. системи опалення;
3. комбіновані системи;
По виду теплоносія, що використовується:
1. рідинні;
2. повітряні;
За тривалістю роботи:
1. цілорічні;
2. сезонні;
За технічним рішенням схеми:
1. одноконтурні;
2. двоконтурні;
3. багатоконтурні.
Повітря є широко поширеним теплоносієм, що незамерзає у всьому діапазоні робочих параметрів. При застосуванні його в якості теплоносія можливе поєднання систем опалення із системою вентиляції. Однак повітря – малотепломісткий теплоносій, що веде до збільшення витрати металу на влаштування систем повітряного опалення порівняно з водяними системами.
Вода є теплоємним та широкодоступним теплоносієм. Однак при температурах нижче 0°С до неї необхідно додавати незамерзаючі рідини. Крім того, слід враховувати, що вода, насичена киснем, викликає корозію трубопроводів та апаратів. Але витрата металу у водяних геліосистемах значно нижча, що значною мірою сприяє ширшому їх застосуванню.
Сезонні геліосистеми гарячого водопостачання зазвичай одноконтурні та функціонують у літні та перехідні місяці, у періоди з позитивною температурою зовнішнього повітря. Вони можуть мати додаткове джерело теплоти або обходитися без нього в залежності від призначення об'єкта, що обслуговується, і умов експлуатації.
Геліосистеми опалення будинків зазвичай двоконтурні або найчастіше багатоконтурні, причому для різних контурів можуть бути застосовані різні теплоносії (наприклад, у геліоконтурі – водні розчини рідин, що незамерзають, у проміжних контурах – вода, а в контурі споживача – повітря).
Комбіновані геліосистеми цілорічної дії для цілей теплохолодопостачання будівель багатоконтурні та включають додаткове джерело теплоти у вигляді традиційного теплогенератора, що працює на органічному паливі, або трансформатора теплоти.
перший контур, що складається із сонячних колекторів 1, циркуляційного насоса 8 та рідинного теплообмінника 3;
другий контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 теплообмінника 3;
третій контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 водоповітряного теплообмінника (калорифера) 5.
Принципова схема системи сонячного теплопостачання: 1 – сонячний колектор; 2 – бак-акумулятор; 3 – теплообмінник; 4 – будівля; 5 – калорифер; 6 – дублер системи опалення; 7 – дублер системи гарячого водопостачання; 8 – циркуляційний насос; 9 – вентилятор.
Функціонує система сонячного теплопостачання в такий спосіб. Теплоносій (антифриз) теплоприймального контуру, нагріваючись у сонячних колекторах 1, надходить у теплообмінник 3, де теплота антифризу передається воді, що циркулює міжтрубному просторі теплообмінника 3 під дією насоса 8 другого контуру. Нагріта вода надходить у бак-акумулятор 2. З бака-акумулятора вода забирається насосом гарячого водопостачання 8, при необхідності доводиться до необхідної температури в дублері 7 і надходить в систему гарячого водопостачання будівлі. Підживлення бака акумулятора здійснюється з водопроводу.
Для опалення вода з бака-акумулятора 2 подається насосом третього контуру 8 калорифер 5, через який за допомогою вентилятора 9 пропускається повітря і, нагрівшись, надходить в будинок 4. У разі відсутності сонячної радіації або нестачі теплової енергії, що виробляється сонячними колекторами, в роботу включається дублер 6.
Вибір та компонування елементів системи сонячного теплопостачання у кожному конкретному випадку визначаються кліматичними факторами, призначенням об'єкта, режимом теплоспоживання, економічними показниками.
Особливістю систем є те, що у випадку термосифонної системинижня точка бака-акумулятора повинна розташовуватися вище за верхню точку колектора і не далі 3-4 м від колекторів, а при насосній циркуляції теплоносія розташування бака-акумулятора може бути довільним.
Основна частка витрат на утримання власного будинкупосідає витрати на опалення. Чому не використовувати безкоштовну енергію природних джерел, наприклад, сонця, для обігріву будови? Адже сучасні технології дозволяють це здійснити!
Для акумуляції енергії сонячних променів використовуються спеціальні сонячні батареї, встановлені на даху будинку. Після прийому ця енергія трансформується в електричну енергію, яка потім розходиться по електромережі і використовується, як у нашому випадку, в обігрівальних приладах.
У порівнянні з іншими джерелами енергії – стандартними, автономними та альтернативними – переваги сонячних батарей є:
Звичайно, дана технологія має свої мінуси:
Батареї, що перетворюють сонячну енергію, монтуються безпосередньо на поверхні даху будинку шляхом з'єднання їх один з одним у систему необхідної потужності. Якщо конфігурація даху або інші особливості будови не дозволяють їх закріпити безпосередньо, то на даху чи навіть на стінах встановлюються каркасні блоки. Як варіант, можливий монтаж системи на окремих стійках в околицях будинку.
Сонячні батареї є генератором електричної енергії, що виділяється у процесі фотоелектричних реакцій. Невисокий ККД елементів ланцюга загальною площею 15-18 кв. м, проте дозволяє опалювати приміщення, площа яких перевищує 100 кв. м! Варто зауважити, що сучасна технологія такого обладнання дозволяє використовувати енергію сонця навіть у періоди середньої хмарності.
Крім монтажу сонячних батарей, реалізація системи опалення вимагає встановлення додаткових елементів:
Найбільш оптимальний варіант опалювальної системипри використанні альтернативного джерела енергії електрична система. Це дозволить обігрівати великі приміщення шляхом монтажу струмопровідних підлог. Більше того, електрична система дозволяє гнучко змінювати температурний режиму житлових приміщеннях, а також виключає необхідність встановлення об'ємних радіаторів та труб під вікнами.
В ідеальному варіанті обігрівальна електрична система, що використовує сонячну енергію, має бути додатково оснащена термостатом та автоматичними регуляторами температури у всіх кімнатах.
Системи опалення на основі сонячних колекторів дозволяють обігрівати не лише житлові будинкита котеджі, а й цілі готельні комплекси та промислові об'єкти.
Такі колектори, принцип роботи яких ґрунтується на «парниковому ефекті», акумулює сонячну енергію для подальшого використання практично без втрат. Це дозволяє здійснити низку можливостей:
Робота сонячного колектора полягає у перетворенні енергії сонячного випромінювання, що потрапляє в замкнутий простір, в теплову енергію, що акумулюється та зберігається протягом тривалого часу. Конструкція колекторів не дозволяє збереженій енергії виходити назовні через прозору установку. Центральна гідравлічна системаобігріву використовує термосифонний ефект, за рахунок якого нагріта рідина витісняє холоднішу, змушуючи останню переміщатися до місця обігріву.
Існує дві реалізації описаної технології:
Найбільш поширеним є плоский сонячний колектор. Завдяки своїй простій конструкції він успішно застосовується для опалення приміщень житлових будинків і в побутових системах водообігріву. Пристрій складається з пластини енергопоглинача, вмонтованої в засклену панель.
Другий вид - вакуумний колектор з прямою теплопередачею - є бак з водою з встановленими під кутом до нього трубками, якими нагріта вода піднімається вгору, звільняючи місце для холодної рідини. Така природна конвекція зумовлює безперервну циркуляцію робочої рідини у замкнутому контурі колектора та розподіл тепла за опалювальною системою.
Інша конфігурація вакуумного колектора є конструкцією із закритих мідних трубокіз спеціальною рідиною низької температури кипіння. Нагріваючись, ця рідина випаровується, поглинаючи тепло із металевих трубок. Підняті догори пари конденсуються з передачею теплової енергії теплоносія - воді в опалювальній системі або основному елементу контуру.
При реалізації опалення будинку за допомогою сонячної енергії необхідно враховувати можливу перебудову даху або стін будівлі для отримання максимального ефекту. У проекті мають бути враховані всі фактори: від розташування та затемнення будівлі до географічних погодних показників місцевості.
Екологія споживання.Садиба: Більшу частину року ми змушені витрачати гроші на опалення своїх будинків. У такій ситуації будь-яка допомога буде не зайвою. Енергія сонця підходить для цих цілей якнайкраще: абсолютно екологічно чиста і безкоштовна.
Більшість року ми змушені витрачати гроші на опалення своїх будинків. У такій ситуації будь-яка допомога буде не зайвою. Енергія сонця підходить для цих цілей якнайкраще: абсолютно екологічно чиста і безкоштовна. Сучасні технології дозволяють здійснювати сонячне опалення приватного будинку не лише у південних районах, а й за умов середньої смуги.
У середньому 1 м2 поверхні землі отримує 161 Вт сонячної енергії за годину. Зрозуміло, на екваторі цей показник буде набагато вище ніж у Заполяр'ї. Крім того, щільність сонячного випромінювання залежить від пори року. У Московській області інтенсивність сонячного випромінювання у грудні-січні відрізняється від травня-липня більш ніж у п'ять разів. Проте сучасні системи настільки ефективні, що здатні працювати практично всюди землі.
Завдання використання енергії сонячної радіації з максимальним ККД вирішується двома шляхами: пряме нагрівання в теплових колекторах та сонячні фотоелектричні батареї.
Сонячні батареї спочатку перетворюють енергію сонячних променів на електрику, потім передають через спеціальну систему споживачам, наприклад електрокотлу.
Теплові колектори, нагріваючись під дією сонячних променів, нагрівають теплоносій систем опалення та гарячого водопостачання.
Теплові колектори бувають декількох видів, серед яких відкриті та закриті системи, плоскі та сферичні конструкції, напівсферичні колектори концентратори та багато інших варіантів.
Теплова енергія, отримана з сонячних колекторів, використовується для нагрівання гарячої води або теплоносія системи опалення.
Незважаючи на явний прогрес у розробці рішень щодо збирання, акумулювання та використання сонячної енергії, існують переваги та недоліки.
Ефективність сонячного опалення в наших широтах є досить низькою, що пояснюється недостатньою кількістю сонячних днів для регулярної роботи системи.
Найочевиднішим плюсом використання енергії сонця є її загальнодоступність. Насправді навіть у саму похмуру та хмарну погоду сонячна енергія може бути зібрана та використана.
Другий плюс – це нульові викиди. По суті, це найбільш екологічно чистий і природний вигляденергії. Сонячні батареї та колектори не роблять шуму. Найчастіше встановлюються на дахах будинків, не займаючи корисну площу заміської ділянки.
Недоліки, пов'язані з використанням енергії сонця, полягають у мінливості освітленості. У темний час доби нема чого збирати, ситуація посилюється тим, що пік опалювального сезону припадає на найкоротші світлові дні на рік.
Істотний недолік опалення, що базується на застосуванні сонячних колекторів, полягає у відсутності можливості накопичувати теплову енергію. У схему включено лише розширювальний бак
Необхідно стежити за оптичною чистотою панелей, незначне забруднення різко знижує ККД.
Крім того, не можна сказати, що експлуатація системи на сонячній енергії обходиться повністю безкоштовно, існують постійні витрати на амортизацію обладнання, роботу циркуляційного насоса та електроніки, що управляє.
Відкритий сонячний колектор є незахищеною від зовнішніх впливів системою трубок, за якими циркулює теплоносій, що нагрівається безпосередньо сонцем. Як теплоносій застосовується вода, газ, повітря, антифриз. Трубки або закріплюються на панелі, що несе, у вигляді змійовика, або приєднуються паралельними рядами до вихідного патрубка.
Сонячні колектори відкритого типу не здатні подолати опалення приватного будинку. Через відсутність ізоляції теплоносій швидко остигає. Їх використовують у літню пору в основному для нагрівання води в душових або басейнах.
У відкритих колекторів зазвичай немає ніякої ізоляції. Конструкція дуже проста, тому має невисоку вартість та часто виготовляється самостійно.
Зважаючи на відсутність ізоляції практично не зберігають отриману від сонця енергію, відрізняються низьким ККД. Застосовуються їх переважно у літній період для підігріву води у басейнах або літніх душових. Встановлюються в сонячних та теплих регіонах, при невеликих перепадах температури навколишнього повітря та води, що підігрівається. Добре працюють тільки в сонячну, безвітряну погоду.
Найпростіший сонячний колектор з теплоприймачем, зробленим з бухти полімерних труб, забезпечить постачання підігрітої води на дачі для поливу та побутових потреб
Трубчасті сонячні колектори збираються з окремих трубок, якими курсує вода, газ або пара. Це один з різновидів геліосистем відкритого типу. Проте теплоносій набагато краще захищений від зовнішнього негативу. Особливо в вакуумних установках, влаштованих за принципом термосів.
Кожна трубка підключається до системи окремо, паралельно одна одній. При виході з експлуатації однієї трубки її легко поміняти на нову. Вся конструкція може збиратися безпосередньо на покрівлі будівлі, що значно полегшує монтаж.
Трубчастий колектор має модульну структуру. Основним елементом є вакуумна трубка, кількість трубок варіюється від 18 до 30, що дозволяє точно підібрати потужність системи
Важкий плюс трубчастих сонячних колекторів полягає в циліндричній формі основних елементів, завдяки яким сонячне випромінювання вловлюється круглий світловий день без застосування дорогих систем стеження за пересуванням світила.
Спеціальне багатошарове покриття створює своєрідну оптичну пастку для сонячних променів. На схемі частково показано зовнішню стінку вакуумної колби, що відображає промені на стінки внутрішньої колби.
За конструкцією трубок розрізняють пір'яні та коаксіальні сонячні колектори.
Коаксіальна трубка є судиною Дьяюра або всім знайомий термос. Виготовлені з двох колб між якими відкачано повітря. На внутрішню поверхню внутрішньої колби нанесено високоселективне покриття, що ефективно поглинає сонячну енергію.
Теплова енергія від внутрішнього селективного шару передається тепловій трубці або внутрішньому теплообміннику алюмінієвих пластин. На цьому етапі відбуваються небажані втрати.
Пір'яна трубка є скляним циліндром з вставленим всередину перовим абсорбером.
Для гарної теплоізоляції з трубки відкачано повітря. Передача тепла від абсорбера відбувається без втрат, тому ККД пір'яних трубок вище.
За способом передачі тепла є дві системи: прямоточні та з термотрубкою (heat pipe).
Термотрубка являє собою запаяну ємність з рідиною, що легко випаровується.
Усередині термотрубки знаходиться рідина, що легко випаровується, яка сприймає тепло від внутрішньої стінки колби або від перового абсорбера. Під дією температури рідина закипає і у вигляді пари піднімається нагору. Після того як тепло віддано теплоносія опалення або гарячого водопостачання, пара конденсується в рідину і стікає вниз.
В якості рідини, що легко випаровується, часто застосовується вода при низькому тиску.
У прямоточній системі використовується U-подібна трубка, якою циркулює вода або теплоносій системи опалення.
Одна половина U-подібної трубки варта холодного теплоносія, друга відводить нагрітий. При нагріванні теплоносій розширюється та надходить у накопичувальний бак, забезпечуючи природну циркуляцію. Як і у випадку систем із термотрубкою, мінімальний кутнахилу має становити не менше 20⁰.
Прямоточні системи ефективніші оскільки відразу нагрівають теплоносій.
Якщо системи сонячних колекторів заплановані до використання цілий рік, то в них закачуються спеціальні антифризи.
Застосування трубчастих сонячних колекторів має низку переваг і недоліків. Конструкція трубчастого сонячного колектора складається з однакових елементів, які легко замінити.
Переваги:
Конструктивно трубчаста конструкція має обмежену апертурну поверхню. Має такі недоліки:
Незважаючи на спочатку високу вартість, трубчасті колектори швидше окупаються. Мають великий термін експлуатації.
Плоский колектор складається з алюмінієвого каркасу, спеціального шару, що поглинає - абсорбера, прозорого покриття, трубопроводу і утеплювача.
Як абсорбер застосовують зачорнену листову мідь, що відрізняється ідеальною для створення геліосистем теплопровідністю. При поглинанні сонячної енергії абсорбером відбувається передача отриманої ним сонячної енергії теплоносія, що циркулює по системі трубок, що примикає до абсорберу.
З зовнішньої сторони закрита панельзахищена прозорим покриттям. Воно виготовлено з протиударного загартованого скла, Що має смугу пропускання 0,4-1,8мкм Такий діапазон припадає максимум сонячного випромінювання. Протиударне скло служить гарним захистом від граду. З тильного боку вся панель надійно утеплена.
Плоскі сонячні колектори відрізняються максимальною продуктивністю та простою конструкцією. ККД їх збільшено за рахунок застосування абсорбера. Вони здатні вловлювати розсіяне та пряме сонячне випромінювання
У переліку переваг закритих плоских панелей є:
Плоскі сонячні колектори особливо вигідні, якщо їхнє застосування заплановано ще на стадії проектування. Термін служби якісних виробів становить 50 років.
До недоліків можна віднести:
Сфера застосування закритих колекторів значно ширша, ніж геліоустановок відкритого типу. Влітку вони здатні повністю задовольнити потребу у гарячій воді. У прохолодні дні, не включені комунальниками в опалювальний період, вони можуть працювати замість газових та електрообігрівачів.
Найголовнішим показником сонячного колектора є ККД. Корисна продуктивність різних за конструкцією сонячних колекторів залежить від різниці температур. При цьому плоскі колектори значно дешевші за трубчасті.
Значення ККД залежить від якості виготовлення сонячного колектора. Мета графіка показати ефективність застосування різних систем залежно від різниці температури
При виборі сонячного колектора варто звернути увагу на ряд параметрів, що показують ефективність і потужність приладу.
Для сонячних колекторів є кілька важливих характеристик:
Апертурна площа – це робоча площа сонячного колектора. У плоского колектора апертурна площа максимальна. Апертурну площу дорівнює площі абсорбера.
Оскільки пристрої на сонячній енергії не можуть забезпечити стабільне та цілодобове постачання енергії, необхідна система стійка до цих недоліків.
Для середньої смуги Росії сонячні пристрої що неспроможні гарантувати стабільний приплив енергії, тому використовують як додаткова система. Інтегрування в існуючу систему опалення та гарячого водопостачання відрізняється для сонячного колектора та сонячної батареї.
Залежно від цілей використання теплового колектора застосовують різні системи підключення. Варіантів може бути кілька:
Літній варіант найпростіший і може обходитись навіть без циркуляційного насоса, використовуючи природну циркуляцію води.
Вода нагрівається в сонячному колекторі та за рахунок теплового розширення надходить у бак-акумулятор або бойлер. При цьому відбувається природна циркуляція: місце гарячої води з бака засмоктується холодна.
Взимку при негативних температурахпряме нагрівання води не можливе. За закритим контуром циркулює спеціальний антифриз, забезпечуючи перенесення тепла від колектора до теплообмінника в баку.
Як будь-яка система, заснована на природній циркуляції, працює не дуже ефективно, вимагаючи дотримання необхідних ухилів. Крім того, акумулюючий бак повинен бути вищим ніж сонячний колектор.
Щоб вода залишалася якомога довше за гарячий бак необхідно ретельно утеплити.
Якщо Ви хочете дійсно досягти максимально ефективної роботи сонячного колектора, схема підключення ускладниться.
За системою сонячного колектора циркулює теплоносій, що незамерзає. Примусову циркуляціюзабезпечує насос під керуванням контролера.
Контролер керує роботою циркуляційного насоса на основі показань як мінімум двох температурних датчиків. Перший датчик вимірює температуру в накопичувальному баку, другий - на трубі подачі гарячого теплоносія сонячного колектора Як тільки температура в баку перевищить температуру теплоносія, в колекторі контролер відключає циркуляційний насос, припиняючи циркуляцію теплоносія за системою.
У свою чергу, при зниженні температури в накопичувальному баку нижче заданої включається опалювальний котел.
Було б привабливо застосувати подібну схему підключення сонячної батареї до електромережі, як це реалізовано у випадку сонячного колектора, накопичуючи енергію, що надійшла за день. На жаль, для системи електропостачання приватного будинку створити блок акумуляторів достатньої ємності дуже дорого. Тому схема підключення виглядає так.
При зниженні потужності електричного струму від сонячної батареї блок АВР ( автоматичне включеннярезерву) забезпечує підключення споживачів до загальної елетросети
З сонячних панелейзаряд надходить на контролер заряду, який виконує кілька функцій: забезпечує постійну підзарядку акумуляторів та стабілізує напругу. Далі електричний струмнадходить на інвертор, де відбувається перетворення постійного струму 12В або 24В змінний однофазний струм 220В.
На жаль, наші електромережі не пристосовані для отримання енергії, можуть працювати лише в одному напрямку від джерела споживача. З цієї причини ви не зможете продавати видобуту електроенергію або хоча б змусити лічильник крутитися у зворотний бік.
Використання сонячних батарей вигідно тим, що вони надають універсальніший вид енергії, але при цьому не можуть зрівнятися за ефективністю із сонячними колекторами. Однак останні не мають можливості накопичувати енергію на відміну від сонячних фотоелектричних батарей.
При розрахунку необхідної потужності сонячного колектора дуже часто помилково проводять обчислення, виходячи з сонячної енергії, що надходить, в найхолодніші місяці року.
Справа в тому, що в інші місяці року вся система постійно перегріватиметься. Температура теплоносія влітку на виході з сонячного колектора може досягати 200°З нагрівання пари або газу, 120°С антифризу, 150°С води. Якщо теплоносій закипить, він частково випарується. В результаті його доведеться замінити.
Решта необхідне тепломає виробляти стандартне опалювальне обладнання. Проте за таких показників на рік економиться в середньому близько 40% на опаленні та гарячому водопостачанні.
Потужність вироблюваної однією трубкою вакуумної системи залежить від географічного розташування. Показник сонячної енергії, що падає на рік на 1 м2 землі, називається інсоляцією. Знаючи довжину та діаметр трубки, можна вирахувати апертуру – ефективну площу поглинання. Залишається застосувати коефіцієнти абсорбції та емісії для обчислення потужності однієї трубки на рік.
Приклад розрахунку:
Стандартна довжина трубки складає 1800 мм, ефективна – 1600 мм. Діаметр 58 мм. Апертура - затінена ділянка створювана трубкою. Таким чином площа прямокутника тіні становитиме:
S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 м2
ККД середньої трубки становить 80%, сонячна інсоляція для Москви становить близько 1170 кВт * год / м2 на рік. Таким чином одна трубка виробить на рік:
W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 кВт * год
Це дуже приблизний розрахунок. Кількість енергії, що виробляється, залежить від орієнтування установки, кута, середньорічної температури і т.д. опубліковано
