Солнечный водонагреватель для решения задачи ГВС

Опубликовано ДОМ ИДЕЙ - вс, 02/05/2012 - 13:50

Вода под Солнцем

Солнечный коллектор на крыше дома

При доступности дешёвых энергоносителей использование альтернативных источников энергии обходится дороже, чем получаемая от них польза. Поэтому эта сфера в нашей богатой природными ресурсами стране до последнего времени была полем деятельности исключительно энтузиастов.

 

Оправдает ли себя солнечный водонагреватель

В то же время весь остальной мир понемногу оттачивал технологии и схемы использования возобновляемых видов энергии. В результате многолетних исследований и практических испытаний появились жизнеспособные и надёжные, а главное экономически эффективные системы, производство которых уже поставлено на поток.

Да и в России альтернативные источники энергии, особенно солнечное излучение, начали обкатываться буквально в промышленных масштабах. В качестве примера можно назвать проект Сколково, который планируется как полностью энергонезависимая система. Или объекты Сочинской олимпиады, где высоки экологические требования.

 

Бесконечный источник тепла

Достоинства установок, преобразующих солнечную энергию: общедоступность и неисчерпаемость источника, а также отсутствие загрязнения окружающей среды.

Достигающая Земли энергия нашего светила в десятки тысяч раз превышает то количество, которое человечество вырабатывает традиционным путём.

Мощность солнечного излучения в ясный полдень в средних широтах достигает 1-1,2 кВт на квадратный метр поверхности, расположенной строго перпендикулярно солнечным лучам. То есть, если бы небо было постоянно безоблачным, мы могли получать около 10 кВт в сутки на 1 м2 поверхности. Однако в реальных условиях освещенность намного меньше. Облака, осадки, пыль заметно снижают световой поток, особенно при малых углах солнца над горизонтом. Поэтому средняя величина составляет 250-300 Вт.

Основной проблемой солнечной энергетики, как и любой другой альтернативной, является рассеянность энергии в пространстве. Ведь окружающая среда весьма разнообразна, поэтому буквально каждый объект индивидуален и требует особого подхода. В идеале и участок, и сама конструкция дома должны быть изначально спроектированы под параметры использования энергии солнца, ветра и т.д. в местных условиях. Это ориентация склонов, размер и расположение дома и насаждений, наличие туманов и облачности, периодичность и длительность осадков.

Хотя в отношении источников энергии и принято оперировать коэффициентом КПД, величина эта виртуальная. Как можно определить значение коэффициента полезного действия, если установка использует абсолютно бесплатную энергию? Есть смысл сравнивать только её экономическую эффективность, а именно реальную стоимость киловатт-часа полезной энергии для владельца.

 

Практика солнечного водоснабжения

В настоящее время самым эффективным способом преобразования солнечной энергии является именно нагрев воды. Обеспечение горячим водоснабжением коттеджей, дачных домов, теплиц и любых других жилых или хозяйственных объектов.

Если дом служит для постоянного проживания, солнечная водонагревательная установка может обеспечить круглогодичную бесперебойную подачу горячей воды, отопление помещений в весенне-осенний период и серьёзное, до 40% снижение расхода топлива зимой.

Для сезонного проживания в дачном доме наличие такой системы позволяет полностью отказаться от установки традиционного отопительного и водогрейного оборудования, а значит и связанных с этим хлопот по обеспечению топливом, обслуживанию и ремонту.

Сами солнечные водонагреватели различаются, прежде всего, по эффективности. Количество горячей воды, которую они производят, зависит от типа и размера систем, условий освещенности местности, а также таких параметров, как угол наклона и ориентации установки относительно южного направления.

 

Особенности гелиоводогрейной установки

Угол наклона солнечного водонагревательного коллектора относительно горизонта должен быть равен градусу широты местности. При эксплуатации системы в зимний период его рекомендуется на 10° увеличить.

В пределах ±10° от вертикального отклонения существенных изменений в выработке тепла обычно не наблюдается, поэтому когда наклон крыши вписывается в эти параметры, солнечный водонагреватель можно установить не нарушая архитектурного облика здания.

В идеале солнечный водонагреватель должен быть сориентирован строго на Юг. Однако это требование не всегда выполнимо. Чтобы выработка тепла оставалась на должном уровне, величина отклонения от нормы должна укладываться в параметры ±30° от предпочтительного направления.

Обычно солнечные коллекторы имеют раз и навсегда фиксированную величину наклона к горизонту. Но угол подъёма солнца над горизонтом (в любое время дня) изменяется в течение года с декабря по июнь аж на 45 градусов. То есть нужно сразу выбрать, в какие месяцы солнечная энергия важнее.

 

Основные виды солнечных водонагревателей

Наиболее доступны с учётом эффективности и приемлемой цены плоские солнечные коллекторы, которые характеризуются максимальной простотой и надёжностью конструкции.

 

Обращённая к солнцу сторона покрыта специальным стеклом с высокой степенью пропускания солнечного излучения. Несмотря на простоту и высокие показатели эффективности, такие устройства не лишены недостатков как раз из-за своей плоской формы. С одной стороны, площадь остекления коллектора должна быть как можно больше, чтобы улавливать максимальное количество излучения. С другой, это требует дорогих высокопрочных стёкол достаточной толщины, чтобы противостоять непогоде, нагрузкам от собственного веса и снежного покрова.

Когда поверхность коллектора плоская, количество солнечного излучения достигает своего максимума только когда лучи перпендикулярны поверхности. Утром и вечером солнечные лучи падают под углом и количество поглощаемого солнечного излучения уменьшается. В зимнее время производительность падает за счет возросших теплопотерь.

Устройства с вакуумными солнечными коллекторами являются более сложными. Такая установка собирается из отдельных вакуумных трубок из ударопрочного стекла, каждая из которых представляет собой стеклянный цилиндр с двойными стенками, между которыми откачан воздух. Часто их внутренняя сторона покрывается зеркальным слоем, чтобы проходящие мимо лучи отразились и попали на неё с обратной стороны. Это позволяет обеспечить высокую эффективность устройства даже при слабом рассеянном солнечном излучении в облачный день или отрицательной температуре наружного воздуха.

 

Вакуумная тепловая трубка

Конструкция вакуумных трубок похожа на конструкцию термоса: одна трубка вставлена в другую с большим диаметром. Между ними откачан воздух, что и создает совершенную теплоизоляцию.

Внутренняя трубка покрыта специальным селективным слоем, который хорошо абсорбирует (поглощает) солнечную энергию, а вакуум препятствует потерям тепла.

Медная трубка запаяна и содержит небольшой объем легкокипящей жидкости. При нагреве жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки.

Пары поднимаются в верхнюю часть – наконечник, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура. После чего конденсат стекает вниз и процесс повторяется. Испарение жидкости начинается при достижении температуры внутри трубки +30°С. При меньшей температуре трубка «запирается» и дополнительно сохраняет тепло.

Такие трубки способны функционировать и в пасмурную погоду, и при отрицательной температуре. Вакуумная трубка устойчива к замораживанию и работоспособна без повреждений до -50°С.

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.

Трубчатые солнечные водонагреватели иногда ошибочно относят к плоским, однако, это не так. Светопоглощающие трубки круглые, благодаря чему их обращенная к солнцу площадь остаётся постоянной в период с 7 до 17 часов астрономического времени. И при первых лучах солнца, и днём, когда оно неистово палит, и на закате трубки будут нагреваться с одинаковой интенсивностью.

То есть вакуумный трубчатый водонагреватель начинает производить горячую воду уже тогда, когда плоский коллектор ещё простаивает. Чем дальше на Север, тем экономически выгоднее использовать именно вакуумные трубчатые солнечные коллекторы. Хотя они и стоят намного дороже, чем плоские. В богатых на ясные дни южных широтах всё наоборот.