Конструкция бытовых солнечных водонагревателей

Солнце, воздух и вода

Владелец индивидуального дома привык к тому, что комфортное проживание требует от него постоянных и порою не малых финансовых затрат. Большую их часть занимают потребности систем отопления и горячего водоснабжения.

Все мы знаем, что существуют установки, работающие на так называемых альтернативных источниках энергии (ветер, солнце, термальные воды). Однако такие установки до сих пор не нашли широкого применения, их распространение является заслугой единичных энтузиастов.

Такая ситуация сложилась в первую очередь потому, что сами установки достаточно дороги как в производстве, так и в процессе эксплуатации. А их надёжность практически не позволяет получить положительный экономический эффект от их применения.

Однако в некоторых областях, например солярных (солнечных) систем уровень развития современных технологий достиг необходимого уровня эффективности и надёжности, позволяющего применять их обычным пользователям.

Учёные подсчитали, что ежедневно на землю поступает солнечная энергия, которая в пересчёте на ископаемые виды топлива сопоставима по количеству с энергией, расходуемой человечеством в течение года. Это колоссальный, экологически чистый и нескончаемый источник энергии, который мы долгое время вообще никак не использовали.

Однако поступающая на землю солнечная энергия нестабильна и зависит от многих факторов, таких как время года и время суток (высота солнца над горизонтом), температура и влажность воздуха, плотность облачности и глобальное затемнение атмосферы.

В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м², достигая практически в любом (независимо от широты) месте пиковых значений в полдень при ясном небе около 1 кВт/м².

Практическая задача, стоящая перед разработчиками различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы наиболее эффективно собрать этот поток и преобразовать его в нужный вид энергии при наименьших затратах на установку.

Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых солнечных коллекторах.

Свою эффективность солнечные коллекторы доказали даже в климатических условиях Аляски. Высокие темпы проникновения подобных систем стали возможны благодаря передовым технологическим разработкам последних лет, позволяющим подобной системе эффективно функционировать и при отрицательных температурах до -30°С и даже -50°С.

Принцип работы солнечного водонагревателя

Солнечная водонагревательная установка состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора.

Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается энергией солнца и отдаёт тепло через теплообменник, вмонтированный в бак с водой.

Если нагретая вода не расходуется на нужды потребителей, бак выполняет функцию теплоаккумулятора и хранит её нагретой. Теплоизоляционный слой бака позволяет пользоваться горячей водой даже в тёмное время суток, когда солнечный коллектор не работает.

Получаемая в разные дни вода может иметь разную температуру вследствие продолжительной пасмурной погоды или малого количества солнечных часов зимой. Поэтому в бак-теплоаккумулятор может устанавливаться электрический автоматический водонагреватель-дублёр.

В случае снижения температуры в баке ниже установленной водонагреватель-дублёр автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

Виды солнечных коллекторов

Солнечные коллекторы бывают разных видов.

Наиболее популярны и наиболее доступны с учётом эффективности и приемлемой цены плоские и вакуумные солнечные коллекторы. Чаще всего их закрепляют на скатной кровле, поскольку она обладает наиболее удобным углом наклона по отношению к солнцу.

Плоские коллекторы большинства производителей в основном очень похожи, так как их конструкция оттачивалась годами, и независимо друг от друга разработчики пришли к подобным решениям. Плоские коллекторы характеризуются максимальной простотой и надёжностью конструкции, а срок их эксплуатации достигает 50 лет.

Это самые демократичные в ценовом плане приборы. Но дёшево не означает плохо. За счёт больших поглощающих площадей их коэффициент полезного действия (КПД) достаточно высок, чтобы удовлетворить наши потребности. На практике современный эффективный плоский коллектор работает со средним КПД около 50%. Более ранние модели выдавали не более 30%. Хотя говорить о КПД систем, которые работают на бесплатном источнике энергии, не совсем корректно.

Устроены плоские солнечные коллекторы следующим образом.

Обращённая к солнцу сторона покрыта специальным солярным стеклом с высокой степенью пропускания солнечного излучения, что достигается низким содержанием железа в составе стекла. Над созданием оптимальных солярных стёкол учёные работают уже несколько десятков лет. Часть солнечной энергии теряется в результате отражения от поверхности стекла, а также из-за поглощения в его толще. Поэтому чем ниже содержание железа в стекле, тем выше его коэффициент пропускания инфракрасной составляющей солнечного спектра и тем эффективнее работает коллектор.

Несмотря на гениальную простоту и достигнутые на её основе показатели эффективности, плоские солнечные коллекторы не лишены недостатков. К ним нужно отнести ряд существенных проблем, справиться с которыми не позволяет именно плоская форма коллектора, то есть их основополагающая идея.

С одной стороны, площадь остекления коллектора должна быть как можно больше, чтобы улавливать максимальное количество солнечного излучения, а с другой стороны, это требует высокопрочных стёкол достаточной толщины, чтобы противостоять непогоде, нагрузкам от собственного веса и снежного покрова. Кроме того, большие по площади стёкла подвержены большему запылению, которое в значительной степени снижает эффективность их работы. Вот почему в последнее время все большее число производителей предлагает самоочищающиеся ударопрочные солярные стёкла.

Если поверхность коллектора плоская, то количество солнечного излучения, которое на неё может попасть, достигает своего максимума только в полдень, когда солнце находится в зените и его лучи перпендикулярны к поглощающему абсорберу. Утром и вечером солнечные лучи падают на поверхность коллектора под углом и количество поглощаемого солнечного излучения уменьшается. КПД коллектора тоже уменьшается.

Обычно системы с плоскими коллекторами используют сезонно, с весны по осень. В зимнее время их производительность падает за счет теплопотерь в окружающую среду. В круглогодичных солнечных водонагревательных установках обычно используются вакуумные солнечные коллекторы.

Устройства с вакуумными солнечными коллекторами являются более сложными. Такая установка собирается из отдельных вакуумных водогрейных трубок, каждая из которых представляет собой стеклянный цилиндр с двойными стенками, из промежутка между которыми откачан воздух. Трубки вакуумного коллектора выполнены из ударопрочного стекла, способного выдержать даже удары града большого размера.

Очень часто внутренняя сторона стеклянной трубки, обращённая к солнцу, покрывается зеркальным слоем, чтобы лучи, проходящие мимо, отразились от изогнутого зеркала и все же попали на неё, только с обратной стороны. Это позволяет обеспечить высокий и стабильный КПД коллектора даже при слабом рассеянном солнечном излучении в облачный день, а также при отрицательной температуре наружного воздуха.

Стеклянные трубы вакуумных коллекторов позволяют солнечным лучам всегда падать на приёмную поверхность под прямым углом, сводя отражения к минимуму. При первых лучах солнца ранним утром, или днём, когда солнце нестерпимо палит, или вечером, на закате, теплоносная жидкость будет нагреваться с одинаковой интенсивностью. То есть он начинает производить горячую воду уже тогда, когда плоский коллектор всё ещё простаивает.

Поэтому вакуумные солнечные коллекторы производят в среднем на 30-40% больше тепловой энергии в течение года по сравнению с другими типами. В солнечные летние дни разницы в работе хороших плоских и вакуумных солнечных коллекторов практически незаметна. Однако при низкой температуре окружающей среды преимущества вакуумных коллекторов становятся очевидны.

Так, даже в летнее время есть разница между максимальными температурами нагрева воды. Если для плоских коллекторов максимальная температура не превышает 80-90°С, то в вакуумных теплоноситель может нагреваться выше 100°С. С одной стороны, это требует постоянного отвода тепла от вакуумного коллектора, чтобы он не закипел, с другой, в системах с плоскими коллекторами существует проблема размножения бактерий (там тепло и влажно), которой нет в системах с вакуумными коллекторами.

Перспективы солнечной ГВС

Что мешает широкому распространению солнечных коллекторов?

Во-первых, психологический фактор. Солнечная энергия не считается постоянно доступной из-за погодных условий, хотя технически эта проблема решается достаточно просто - установкой теплоаккумулятора.

До недавнего времени высокая стоимость солнечных коллекторов была чуть ли не единственным их недостатком, что в значительной степени и было серьёзным препятствием к началу их повсеместного использования.

С приходом на рынок коллекторов производства Азии, цены на них существенно упали. И теперь даже модели известных европейских производителей можно приобрести по вполне умеренным ценам.

Как показывает практика, инвестиции в солярные системы окупаются уже за пять-шесть лет. После этого начинается период, при котором природа и технологии начинают приносить доход в виде экономии средств на энергопотребление ближайшие тридцать-сорок лет.