Солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы

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 пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в любом (независимо от широты) месте, около 1 000 Вт/м2. В условиях средней полосы России солнечное излучение "приносит" на поверхность земли энергию, эквивалентную примерно 100-150 кг у.т./м2 в год. Практическая задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы наиболее эффективно "собрать" этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) при наименьших затратах на установку. Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых плоских солнечных коллекторах.

Принцип работы солнечной водонагревательной установки



Рис. 1. Схема круглогодичной солнечной водонагревательной установки.

Круглогодичная солнечная водонагревательная установка СВУ (рис.1) состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бак-аккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический или какой-либо другой автоматический нагреватель-дублер. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

Более продробную информацию по этой теме, о принципах постоения и типах солнечных нагревательных систем, их достоинствах и недостатках вы можете посмотреть в разделе нашего сайта по основам возобновляемой энергетики (солнечное теплоснабжение), а также почитать статьи в нашей Библиотеке.

Солнечные установки сезонного действия с использованием солнечных коллекторов могут непосредственно нагревать воду в баке-аккумуляторе.

Математическое моделирование простейшей солнечной водонагревательной установки, проведенное в Институте высоких температур Российской академии наук с использованием современных программных средств и данных типичного метеогода показало, что в реальных климатических условиях средней полосы России целесообразно использование сезонных солнечных водонагревателей, работающих в период с марта по сентябрь. Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему бака-аккумулятора 2 м2/100 л вероятность ежедневного нагрева воды в этот период до температуры не менее чем 37°С составляет 50-90%, до температуры не менее чем 45°С - 30-70%, до температуры не менее чем 55°С - 20-60%. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.





После долгой зимы Вы снова приехали на свою любимую дачу. И приходится отказываться от тех удобств, к которым Вы привыкли в городе. Туалет на улице, нет электричества и горячей воды. А вот и нет. Горячую воду можно иметь на дачном участке даже без газа и электричества. И греть воду будет Солнце !

Самым простым способом нагрева воды от Солнца является известное всем использование зачерненной поверхности какого-нибудь бака или емкости, которая устанавливается на высоте 2-2,5 метров на открытой местности. В жаркий летний день вода в ней может нагреваться до температуры 60-70 оС, однако эффективность такой системы чрезвычайно мала, так как за ночь вода в емкости остывает до температуры 15-20 о С. То есть такой системой горячего водоснабжения можно пользоваться во второй половине дня в жаркие дни (чтобы остывшая за ночь вода успела нагреться до достаточной температуры).

Современные солнечные водонагревательные установки (СВУ) состоят из солнечного коллектора 1, бака-аккумулятора 3 и соединительных трубопроводов 2 и 9 (см. рисунок).



Солнечный коллектор воспринимает лучистую энергию и передает это тепло протекающему через коллектор теплоносителю. Коллекторы имеют специальное селективное покрытие поверхности, которая обращена к Солнцу. Это покрытие позволяет поглощать почти весь видимый и инфракрасный спектр солнечного излучения. Все поверхности коллектора, которые находятся в тени (торцевые и задняя стенки) имеют однослойную или двухслойную тепловую изоляцию. Поэтому потери тепла через эти поверхности почти в 10 раз меньше, чем поступает от поверхности, которая направлена на Солнце. Современный бак-аккумулятор также стараются максимально теплоизолировать. Так как отбор горячей воды из бака-аккумулятора обычно осуществляется из верхней части, то для накопления в этой части бака воды с максимальной температурой, в баке устанавливают специальные устройства, с помощью которых максимально подавляется вертикальное перемешивание воды по высоте бака.

Бак-аккумулятор обычно устанавливают выше коллектора и в этом случае в контуре происходит естественная циркуляция теплоносителя. Вода нагревается в коллекторе 1, поднимается по подъемному трубопроводу 2 и поступает в бак-аккумулятор 3. Горячая вода забирается из верхней части бака по трубопроводу 6. Подача холодной воды взамен истраченной горячей осуществляется по трубопроводу 7 через обратный клапан 8. Баки-аккумуляторы обычно оснащаются трубчатыми электрическими нагревателями ( ТЭНами ) 4 для подогрева воды в холодные дни или догрева в пасмурные дни.

Солнечные водонагревательные установки (СВУ) являются аккумулирующей системой, потому что время прихода солнечной радиации ограничено световым днем, а потребление горячей воды должно быть обеспечено круглосуточно.

Поэтому, нагретая вода накапливается в баке-аккумуляторе, который имеет хорошую теплоизоляцию. В пасмурные дни подогрев воды производится электронагревателями (ТЭНами ), встроенными в бак-аккумулятор. При хорошей теплоизоляции всех поверхностей бака-аккумулятора и трубопроводов температура воды уменьшится за ночь на 5-10 оС.

Среднее по России значение годового прихода солнечной энергии для шести весенне-летних месяцев ( апрель - сентябрь ) на горизонтальную поверхность может быть оценено величиной порядка 1500 кВт.ч / (м2.год). По Москве (55 о сев. широты ) эта величина составляет 1470 кВт.ч. При ориентации тепловоспринимающей поверхности таким образом, чтобы солнечные лучи падали на нее под прямым углом, эта величина может увеличиться примерно на 25%. В этом случае величина годового прихода солнечной энергии на нормально-ориентированную поверхность будет составлять 1875 кВт.ч / (м2.год).

Если считать К.П.Д. солнечного коллектора равным 70% (температура нагрева воды 50 оС), то годовая экономия энергии составит 1300 кВт.ч / (м2.год). Если взять стандартный солнечный коллектор площадью 2 м2 и принять стоимость киловатт/часа электроэнергии равной 1,2 руб/кВт, то годовая экономия по сравнению с электроподогревателем составит примерно 3150руб. При стоимости солнечного коллектора порядка 350-450 $ или 13500 руб., срок окупаемости составит чуть больше 4х сезонов.Если же электроэнергия в месте установки солнечного коллектора совсем отсутствует, то срок окупаемости существенно уменьшается.

Полная стоимость СВУ составляет 1000-1200 $, причем увеличение стоимости происходит, в основном, за счет бака-аккумулятора (цена от 300 до 1000 $).

Уменьшение стоимости СВУ для условий России возможно при использовании не специального бака-аккумулятора, а подбора имеющихся баков или обечаек емкостью 150-300 литров с хорошей теплоизоляцией наружной поверхности.

Солнечные тепловые системы и установки используются для горячего водоснабжения и отопления в быту, сельском хозяйстве, теплоснабжения низкотемпературных производственных и бытовых процессов, сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды.

Солнечные коллекторы могут работать в котельных для предварительного подогрева питательной воды, а также в составе теплонасосных станций. Так, например, с 1981 года на полигоне ИВТРАН "Солнце" в Дагестане успешно работает система теплоснабжения индивидуального дома с комбинированным применением теплового насоса и солнечных коллекторов .В доме применена низкотемпературная напольная система отопления с комнатным автоматическим регулированием температуры.

В Подмосковье на территории полигона "Астрофизика" в 2001 году введена в опытную эксплуатацию солнечно-теплонасосная система теплоснабжения лабораторного здания.

В южных районах России внедрение солнечных установок позволяет экономить до 50-60% электроэнергии. Срок окупаемости установок составляет 2-3 года.

Еще более предпочтительно использование солнечных коллекторов в сельском хозяйстве.