Применение солнечных коллекторов

Введение

Гелиоколлектор – устройство для сбора тепловой энергии Солнца, переносимой видимым светом и инфракрасным излучением. Эффективность такого сбора определяется уровнем инсоляции, который зависит от времен года, расположения и площади поглощающей поверхности гелиоколлектора. Производство установок для использования альтернативной энергии солнца за последние 4 года увеличилось в мире в несколько раз. На сегодняшний день вводится в эксплуатацию более 3 млн. гелиосистем в год, и эта статистика получена не только за счет стран с теплым климатом. В связи с использованием контроллеров система автоматически поддерживает самые оптимальные параметры циркуляции, имеет режим антизамерзания, обеспечивает комфортную заданную температуру. При отсутствии достаточной солнечной активности контроллер может включать дополнительный электронагреватель, установленный в тепло аккумуляторе.

В странах Средиземноморья, где количество солнечных дней – более 300 в году, солнечный коллектор для отопления и нагрева воды можно встретить практически на каждой крыше. Климат средней полосы считается неблагоприятным для таких энергетических установок. Гелиоколлекторы широко используются в Европе, в том числе в странах с таким же климатом, как у нас. С каждым годом они становятся все более технологичными и эффективными. В России суммарная площадь водонагревательных установок, работающих от энергии солнца, в 2014 году не превышает 20 тыс. кв. метров, в то время как США и Китай эксплуатируют по 10 млн кв. метров гелиосистем, Япония – 8 млн, Германия – 6,5 млн кв. метров. Уже к 2020 г. большинство стран Западной Европы планируют перевести на солнечное теплоснабжение минимум 70% жилищного фонда. И это притом, что, например, в Московской области солнечной энергии на 1 кв. метр приходится столько же, сколько в Германии. Исследования и эксперименты доказывают целесообразность применения гелиосистем. Специальная работа была проведена в институте высоких температур Российской академии наук. Средние показатели интенсивности солнечного потока в зависимости от климатической зоны составляют 150–300 Вт/м², а пиковые показатели достигают 1000 Вт/м². Исходными данными для расчета эффективности гелиосистемы было выбрано отношение поверхности в 2м² коллектора к 100-литровому объему бака-накопителя. Вероятность ежедневного нагрева воды в системе оценивается следующими показателями:

– до температуры +37 °С – 50–90 %;

– до температуры +45 °С – 30–70 %;

– до температуры +55 °С – 20–60 %.

Эти цифры говорят о том, что в холодный период года гелиоколлектор даже при наименьшем количестве солнечных дней позволяет экономить до 60% энергии для отопления дома. Практически везде, где есть холодная вода и дневной свет гелиоколлекторы позволяют решить целый ряд вопросов:

– автономное горячее водоснабжение (круглогодичное или сезонное);

поддержка полного или дежурного отопления для помещений любой площади;

– оптимизация существующих систем горячего водоснабжения и отопления;

– подогрев воды в закрытых или открытых бассейнах;

– обогрев теплиц;

– использование горячей воды в технологических целях.

Основными предпосылками для использования гелиосистемы для отопления являются:

1. Развитие технологий энергоэффективного строительства. Благодаря этому снижается тепловая нагрузка здания и вклад солнечной энергии может быть более ощутим.

2. Постоянно растущие тарифы на традиционные энергоносители.

3. Всё большая доступность и популярность солнечных систем. По сравнению с предыдущими годами установка гелиосистем становится всё более рентабельна.

4. Экологическая ответственность. Всё больше людей задумываются об сокращении вредных выбросов при использовании ископаемых видов топлива.

5. Появление новых технологий. Множество компаний предлагают решения, благодаря которым можно оптимизировать первоначальные затраты и увеличить срок службы гелиосистем.

Существуют гелиоколлекторы различных размеров и конструкций в зависимости от их применения, их можно разделить на несколько видов в соответствии с температурой, которую они дают:

1.Низкотемпературные гелиоколлекторы производят низко потенциальное тепло ниже 50ºС. Используются они для подогрева воды в бассейнах и в других случаях, когда требуется не слишком горячая вода. К ним также относятся воздушные гелиоколлекторы.

2.Среднетемпературные гелиоколлекторы производят высоко- и средне потенциальное тепло (выше 50ºС, обычно 60–80ºС).

3.Высокотемпературные гелиоколлекторы (солнечные электростанции) Основной принцип работы солнечных электростанций основан на принципе концентрации солнечной энергии на теплоприемник. В теплоприемнике концентрированное излучение преобразовывается в тепловую энергию при температурах от 200 до 1000°С, а затем эта тепловая энергия может быть преобразована в электричество с помощью паровой или газовой турбины. Используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей

Применение гелиоустановок решает проблемы с отоплением при ограниченном доступе к газу или электричеству, при недостаточной мощности центрального электроснабжения; в качестве вспомогательной системы отопления, горячего водоснабжения дома, коттеджа, дачи, бассейна позволяет сэкономить значительные средства владельцам. Принцип работы гелиосистем можно представить следующим образом. Солнце нагревает абсорбер в коллекторе и циркулирующий в нём теплоноситель (незамерзающую жидкость). Циркуляционный насос подаёт нагретый теплоноситель к нижнему теплообменнику в бойлере и отдаёт там свою тепловую энергию содержимому бойлера. (расходной воде). Дифференциальный регулятор температуры включает циркуляционный насос в контуре солнечного коллектора только в том случае, если температура в коллекторе выше, чем температура в нижней зоне бойлера. Разница температур определяет с соответствующими датчиками в коллекторе и бойлере. При слишком низком поступления солнечной радиации бойлер солнечного коллектора может дополнительно нагреваться от традиционного тепло генератора (например, от котла). С помощью верхнего теплообменника в гелиобойлере расходная вода будет нагреваться до температуры, предварительно заданной регулятором. Из-за температурного расслоения в вертикальном бойлере дополнительный нагрев от котла ограничивается верхней частью бойлера, таким образом, он используется мало. Как только достигнута заданная температура, отопительный котёл снова работает на отопление помещений. Теплоизоляционный слой бака позволяет пользоваться горячей водой даже в тёмное время суток, когда солнечный коллектор не работает. Получаемая в разные дни горячая вода тоже не будет иметь одинаковую температуру. Это зависит от таких факторов, как погодные условия, температура подаваемой холодной воды, количество потребляемой горячей воды, конфигурация системы ГВС и т.д. Поэтому количество нагретой воды и её температура будут разными в разные дни. Рассчитав потребность потребителей дома в проточной горячей воде и потребность в горячей воде для отопления здания, определяют вид, тип и необходимое количество солнечных коллекторов. Они объединяются в группы и работают как одно целое, как один большой коллектор.

От совершенства конструкции солнечного коллектора в значительной степени зависит эффективность работы всей системы. Все конструктивные особенности солнечного коллектора сводятся к обеспечению максимального поглощения солнечной энергии и минимальным тепловым потерям. Чем больше солнечной энергии поглотит гелиоколлектор (ГК), чем быстрее преобразует ее в тепловую энергию и чем меньше потеряет по пути к теплоаккумулирующему баку, тем эффективнее будет работать гелиосистема отопления или ГВС.

Глава 1. Низкотемпературные гелиоколлекторы

Низкотемпературные гелиоколлекторы –это простейший вид солнечного коллектора. Они бывают плоские открытого и закрытого типа.

Гелиоколлектор открытого типа – это простейшие конструкции, у которых поверхность (абсорбер) непосредственно нагревается солнечными лучами. Элементы конструкции открытого теплообменника закрепляются на простейшей раме – каркасе и не защищены (открыты) от внешних воздействий окружающей среды. В качестве теплоносителя применяется вода, антифриз. Обычно, теплообменники открытого типа применяются на садовых и приусадебных участках для подогрева воды в летних открытых душевых и открытых детских бассейнах. Часто они изготавливаются самостоятельно из подручного материала. На рис.1 представлены несколько оригинальных конструкций ГК открытого типа. Существуют и промышленные солнечные коллекторы (СК) открытого типа. Некоторые из них представлены на рис.2. В большинстве случаев, промышленные солнечные коллекторы (СК) открытого типа – это поверхности из пластика черного цвета внутри которых размещены каналы с циркулирующей водой. Солнце нагревает поверхность такого коллектора, которая, в свою очередь, нагревает воду. Нагретая вода поступает в бассейн или резервуар летнего душа. Главное преимущество таких устройств дешевизна. Главный недостаток, определяющий название таких систем – отсутствует защита от температурных воздействий окружающей среды, теплоноситель быстро остывает. Коллектор лежит на земле или на поверхности, затененной от солнца, следовательно, контактирует с холодной средой, минимум равной температуре воздуха в тени. Летом днем это примерно 20°С. Значит с одной стороны поверхность нагревается солнцем, а с другой стороны – охлаждается окружающей средой. Решение данной проблемы простое – изолировать нижнюю поверхность коллектора. То есть установить на внутренней поверхности теплоизоляционный слой. Решение данной проблемы простое – изолировать нижнюю поверхность коллектора. То есть установить на внутренней поверхности теплоизоляционный слой.

Рис.1 Некоторые примеры исполнения простейших тепловых солнечных коллекторов

Рис.2 Солнечные тепловые коллекторы открытого типа промышленного изготовления

Открытые гелиоколлекторы могут обеспечивать только небольшой перепад температур (до 20°С) между температурой теплоносителя и окружающей температурой воздуха. Это обусловлено тем, что коллекторы данного типа излучают очень много энергии в окружающую среду и имеют очень низкий коэффициент полезного действия.

Открытые СК не применяются в автономных системах отопления и подготовки горячего водоснабжения из-за низкой эффективности их работы.

Обычно, абсорберы СК открытого типа выполнены из стали, окрашенной в черный цвет или пластика. Если коллектор выполнен из труб, то важна плотность их навивки. При недостаточно плотной навивке, большая часть солнечной энергии проходит мимо и не нагревает трубы.

Если у коллектора абсорбер стальной лист, покрашенный простой черной краской, то простая черная масляная краска имеет плохой коэффициент поглощения, и значительная часть солнечной энергии отражается в атмосферу.

При отсутствии тепловой изоляции на задней поверхности коллектора происходят потери, преобразованной в тепло солнечной энергии на нагрев воздуха или поверхности грунта, если он находится на земле.

Определять точно КПД открытых солнечных коллекторов не имеет смысла, поскольку, в большинстве случаев, эти коллекторы делаются самостоятельно из подручного материала, а промышленные коллекторы этого типа, являются, в большей степени, декоративными или маркетинговыми решениями и греют воду очень плохо и реальный максимальный КПД таких систем не превышает 30–50 %.

Последнее время, ряд компаний стали выпускать новые конструкции солнечных коллекторов. Если закрыть коллектор прозрачным колпаком, то мы уменьшим тепло потери при понижении температуры воздуха, защитим от ветра, утеплим нижнюю теневую часть конструкции. Все это увеличит эффективность работы таких систем. Данный тип солнечных коллекторов, по-прежнему, относится к сезонным дачным установкам подогрева вода и цена таких конструкций невысокая. Делаются такие коллекторы из пластика методом вакуумного формования, который применяется для массового производства. Срок службы таких коллекторов до пяти лет. На рис. 3 показаны конструкции таких коллекторов. Закрытые объемные солнечные коллекторы предназначены для эксплуатации в теплый период времени года, когда продолжительность светового дня более 12 часов. Для увеличения времени освещенности солнечными лучами поверхности коллектора их производят в виде сфер, полуцилиндров, пирамид. Солнечные коллекторы данного типа размещают на крышах летних домиков и на площадках. Из-за использования пластмасс в качестве конструктивных материалов прозрачного защитного слоя и корпуса коллектора, данная конструкция дешева и применяется, в основном, для подготовки горячей воды на приусадебном хозяйстве, подогрева воды в детских бассейнах и летних душевых. Такие солнечные коллекторы обладают невысоким КПД, но они более защищены от влияния атмосферных факторов, чем коллекторы открытого типа и лишены ряда их недостатков. В отдельный вид можно выделить пластиковые солнечные коллекторы. В простейшем варианте это две панели из поликарбоната, которые закреплены на раме из алюминия.

Рис.3 Закрытые трубчатые и объемные солнечные коллекторы

Между ними наварены или наплавлены ребра, создающие в панели лабиринт для тока воды. В верхней части панели расположено впускное отверстие, в нижней – выпускное. В верхнее заливается холодная вода, которая, проходя по лабиринту, нагревается и выходит с более высокой температурой через нижнее. Система применяется для нагрева воды в летний период, рис.4.

Рис.4 Пластиковые коллекторы

Из-за малого гидравлического сопротивления очень хорошо функционирует в самотечной системе. Такой вид солнечного водонагревателя – идеальный вариант снабжения горячей водой дачи в летний сезон. Также пластиковые коллекторы изготавливаются путём штамповки из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). Производительность пластиковых коллекторов достаточно сильно зависит от скорости ветра.

Воздушные коллекторы имеют то преимущество, что им не свойственны проблемы замерзания и кипения теплоносителя, от которых порой страдают жидкостные системы. И хотя утечку теплоносителя в воздушном коллекторе труднее заметить и устранить, она приносит меньше неприятностей, чем утечка жидкости. Не всегда есть возможность или желание устраивать полноценную систему отопления, частью которой являются все гелиосистемы. Но сэкономить на отоплении помещения можно без устройства системы. И помогут в этом воздушные коллекторы. Полностью заменить традиционное отопление они не в состоянии, но снизить расходы могут. В самом простом случае воздушный солнечный коллектор – это две пластины, между которыми устроен лабиринт, по которому проходит воздух. Наружная пластина имеет отверстия (перфорацию), в которые проходит холодный воздух. Проходя по лабиринту, он нагревается и затем через отверстие в стене дома попадает внутрь, рис.5.

Рис. 5 Воздушные гелиоколлекторы

Работать система может с использованием вентилятора (принудительная циркуляция) или без него. Все зависит от конфигурации. Устанавливается такой солнечный нагреватель воздуха чаще на южной стене (возможна естественная циркуляция за счет восходящих потоков теплого воздуха), но можно сделать и на крыше с вентилятором, рис.6.

Рис.6 Воздушный гелиоколлектор для крыши

Сильного нагрева вы в таких устройствах не получите: КПД у них совсем небольшой, но до 30–45°С в прохладные дни или до 50°С в жаркие дни воздух нагреть можно. Только для получения хорошего эффекта воздушные коллекторы должны иметь большие размеры. Для увеличения КПД вторую стенку делают из теплопоглощающего материала, который используется в плоских коллекторах. Также заднюю стенку утепляют, предупреждая рассеивание тепла. Но эффективность все равно остается низкой.

Воздушные солнечные коллекторы можно разделить на группы по способу циркуляции воздуха. В простейшем из них воздух проходит через коллектор под поглотителем. Этот вид коллектора пригоден только для подъема температуры на 3–5ºС из-за высоких потерь тепла на поверхности коллектора через конвекцию и излучение. Эти потери можно значительно снизить, накрыв поглотитель прозрачным материалом с низкой проводимостью инфракрасного излучения. В таком коллекторе поток воздуха возникает либо под поглотителем, либо между поглотителем и прозрачным покрытием.

Благодаря прозрачной крышке излучение тепла с поглотителя снижается незначительно, но из-за снижения конвективных тепло потерь можно достичь подъема температуры на 20–50ºС в зависимости от количества солнечной радиации и интенсивности воздушного потока. Можно добиться дальнейшего снижения тепловых потерь, проведя воздушный поток и над поглотителем, и под ним, так как при этом удваивается площадь поверхности теплопередачи. Потери тепла из-за излучения при этом снизятся благодаря пониженной температуре поглотителя. Однако одновременно происходит и снижение поглотительной способности абсорбера из-за наслоения пыли, если воздушный поток проходит с обеих сторон поглотителя. Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надежность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10–20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Солнечный коллектор, который нагревает воздух, может служить дешевым источником тепла для сушки сельскохозяйственных культур – зерна, фруктов или овощей. Так как солнечные коллекторы с высокой эффективностью нагревают температуру воздуха в помещении на 5–10ºС (а сложные устройства – еще больше), они могут использоваться для кондиционирования воздуха на складах.

Глава 2. Среднетемпературные гелиоколлекторы

2.1. Плоские закрытые гелиоколлекторы

К этому типу гелиоколлекторов относятся плоские закрытые коллекторы, в которых теплопередача совершается посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло концентрируется. Представителем последних является коллектор вакуумированный трубчатый.

Плоский солнечный коллектор – один из самых распространенных видов солнечных коллекторов, которые работают по принципу парникового эффекта, а именно то, что сквозь стекло практически полностью все солнечные лучи проходят и попадают на поверхность солнечного коллектора, рис. 7. Для плоского солнечного коллектора применяется обычное или специальное закаленное стекло с коэффициентом пропускания спектрального интервала 0,4…1,8 мкм и достигает 95%, а в свою очередь в нижней части коллектора используется теплопоглощающее покрытие с эффективностью 90% (высокоселективное покрытие). Поверхность стекла применяют матовую, которая больше поглощает солнечных лучей, чем глянцевая поверхность.

Рис.7 Плоский солнечный коллектор

Плоский солнечный коллектор состоит из следующих основных элементов, рис.8:

• корпус;

• трубки с теплоносителем;

• абсорбер и теплопоглощающее покрытие;

• прозрачное защитное покрытие (обычно стекло);

• термо изолирующее покрытие (обычно минеральная вата в комбинации со светоотражающей алюминиевой фольгой);

• входных и выходных патрубков подсоединения к магистрали системы отопления и ГВС;

• элементы крепления оборудования.

Рис.8 Конструкция плоского солнечного коллектора

Корпус плоского солнечного коллектора обычно изготовляют из листового или анодированного алюминия, и предназначенный для защиты главного оборудования от внешнего воздействия и крепления к основанию скатной кровли или реже к стене дома.

Абсорбер – основной элемент плоского коллектора. Абсорбер представляет собой обычно медную пластину с теплопоглощающим покрытием. К адсорберу припаян проточный трубопровод, для отвода тепла, который может располагаться по двум схемам: «меандр» и «арфа». Абсорбер помещается в стеклянный корпус. Одна поверхность, что покрыта теплопоглощающим слоем принимает солнечное излучение, а вторая сторона (противоположная) для снижения тепло потерь утепляется специальным материалом. Отвод теплоты от теплопоглощающего покрытия осуществляется через медный или алюминиевый теплообменник, внутри которого в качестве теплоносителя помещена вода или антифриз.

В разных моделях плоских солнечных коллекторах могут быть:

– абсорбер из меди лирообразной формы, поверхность которого покрыта высокоселективным черным хромом, что дает возможность к параллельному подключению коллекторов;

– абсорбер из меди, меандров с высокоселективным покрытием «Sunselect»;

– абсорбер из меди двойной лирообразной формы с высокоселективным покрытием «Eta plus».

В плоских солнечных коллекторах используют следующие виды стекол:

– обычное стекло;

– специальное закаленное стекло. Особенностью является повышенная прочность на удар и высокая рассеянность;

– антирефлексное стекло – это стекло, на обеих поверхностях которого нанесен специальный слой, элиминирующий отражение солнечного света и поэтому максимальное количество этого излучения попадает на абсорбер (до 96%);

– полярное стекло (самоочищающееся стекло); поверхность такого стекла покрыта специальным слоем диоксид титана, что приводит к выгоранию на солнце всего органического мусора, который оседает на поверхность коллектора, а дождь смывает его остатки, оставляя стекло чистым.

В более дорогих версиях плоского солнечного коллектора вместо обычного защитного стекла применяется стекло из поликарбоната, которое также хорошо пропускает солнечные лучи, но является более стойким к ударам.

Очень важно, чтобы плоские коллекторы имели хорошую теплоизоляцию, которая снижает потери тепла. Обычно теплоизоляция плоских коллекторов устанавливается толщиной 20…60мм изготовленной из минеральной ваты и светоотражающей алюминиевой пленки

Плоские солнечные коллекторы располагаются непосредственно на склонах крыш, направленных по направлению к югу, или на специальных рамах для установки на плоских крышах или площадках.

Принцип работы данных устройств заключается в следующем. Солнечные лучи проходят через переднее плоское прозрачное защитное стекло, способное выдержать снеговые нагрузки, град и другие механические воздействия, через воздушную прослойку в несколько сантиметров, которая является теплоизолятором, и нагревают поверхность абсорбера. Для лучшего поглощения солнечных лучей, поверхность абсорбера покрыта селективным покрытием. К абсорберу прикреплены трубки из теплопроводного материала, по которым циркулирует теплоноситель. Абсорбер нагревает трубки, которые передают тепло теплоносителю. Движение теплоносителя в системе создается циркуляционным насосом. Вся конструкция смонтирована на прочной раме. Конкретные значения размеров элементов плоских солнечных коллекторов определяются их производителями и являются решениями проектировщиков, но типовыми значениями можно признать следующие:

– защитное прозрачное стекло – 3–3,5 мм. При меньшей толщине, трудно обеспечить прочность, при большей – возрастает вес и снижается КПД;

– воздушный зазор между стеклом и абсорбером – 25–35 мм. При меньшем размете растут тепло потери, при большем- габариты и вес;

– толщина нижнего теплоизоляционного слоя – 35–50 мм. При меньшем значении, плохая термоизоляция, при большем, растут габариты и вес.

Абсорберы плоских коллекторов бывают цельно листовыми и перьевыми. В перьевых абсорберах к отдельным пластинам прикреплена или приварена трубка, в которой циркулирует теплоноситель. Трубки в таких абсорберах соединяются между собой в виде «арфы» (коллекторный тип).

В цельно листовых абсорберах система распределения теплоносителя бывает в виде «меандра» или же трубки, соединенные коллекторным типом. На рис. 9 представлены перьевые и цельно листовые абсорберы плоских коллекторов.

Рис.9 Перьевые и цельно листовые абсорберы плоских коллекторов