Оцінка параметрів сонячних колекторів для теплозабезпечення домогосподарства

Існують 2 основних способи перетворення сонячної енергії:

o фототермічний;

o фотоелектричний.

У першому, найпростішому, теплоносій (найчастіше вода) нагрівається в колекторі до високої температури й використовується для нагрівання води або опалення приміщень.

В середньому по року, залежно від кліматичних умов і широти місцевості, потік сонячного випромінювання на земну поверхню складає від 100 до 250 Вт/м2, досягаючи пікових значень опівдні при ясному піднебінні, практично в будь-якому (незалежно від широти) місці, близько 1 000 Вт/м2.

Практичне завдання, що стоїть перед розробниками і творцями різного вигляду сонячних установок, полягає в тому, аби найефективніше "зібрати" цей потік енергії і перетворити його в потрібний вигляд енергії (теплоту, електроенергію) при найменших витратах на установку.

Існує кілька типів водяних колекторів: плоский колектор і вакуумний трубчастий колектор.

Простим і найбільш дешевим способом використання сонячної енергії є нагрів побутової води в так званих плоских сонячних колекторах (рис.2).

Плоский колектор — найпоширеніший вид сонячних колекторів, що використовуються у побутових водонагрівальних та опалювальних системах. Цей колектор являє собою теплоізольовану засклену панель, у яку поміщена пластина поглинача. Пластина поглинача виготовлена з металу, що добре проводить тепло (найчастіше міді або алюмінію). Завдяки заскленню знижуються втрати тепла. Дно й бічні стінки колектора покривають теплоізолюючим матеріалом, що ще більше скорочує теплові втрати. Зазвичай системи з плоскими колекторами використовують сезонно, з весни по осінь. У зимовий час продуктивність систем з плоскими сонячними колекторами падає за рахунок тепловтрат в довкілля.

Рис. 2. Пристрій плоского сонячного коллектора

Порівняно недавно на ринку з'явилися сонячні колектори іншого вигляду: вони є батареєю скляних труб. Усередині кожної з них у вакуумі розташовується подвійна концентрична трубка (рис. 3).

По її центральному каналу в конструкцію поступає з розподільного колектора (він також подвійний, поєднуючий функції прямого і зворотного) холодний теплоносій. Повертаючись по середньому каналу, теплоносій отримує «захоплене» (механізм – приблизно такий же, що і в плоскому колекторі) у вакуумній трубці сонячне тепло і відносить його в систему опалювання або гарячого водопостачання об'єкту.

Окрім показаного, є колектори на основі вакуумних трубок, де для уловлювання сонячної радіації застосовані пластини, що контактують з тепловою трубкою, покриті по всій довжині спеціальним шаром напівпровідника. Це дозволяє перетворити в тепло сонячну радіацію максимально широкого діапазону.

Рис. 3. Принцип роботи колектора з вакуумною трубкою

Вакуумний трубчастий колектор складається з вакуумних трубок, у які вбудовані мідні поглиначі із геліотитановим покриттям, що гарантують високий рівень поглинання сонячної енергії й мале виробництво теплового випромінювання.

Вакуумований простір дозволяє практично повністю усунути тепловтрати. До переваг цієї системи можна віднести безпосередню передачу тепла воді, що дозволяє скоротити тепловтрати. Завдяки тому, що повний коефіцієнт втрат у вакуумному колекторі малий, теплоносій у ньому можна нагріти до температур 120–160 °С.

Фототермічні колектори встановлюються на даху будинку так, щоб їхня освітленість протягом дня була найбільшою. Сьогодні, найбільшою популярністю водяні колектори користуються в Ізраїлі, де 80% води нагрівається за допомогою сонячної енергії. На території України середньорічна щільність потоку сонячної енергії становить 180–250 Вт/м2. Цієї енергії досить для нагрівання з одного квадратного метру колектора до 100 — 120 літрів гарячої води з температурою 60–70 °С. Вартість таких установок стартує від 10 000 гривень, а окупність систем у середньому становить 5 років.

У сонячні літні дні різниці в роботі хороших плоских і вакуумних сонячних колекторів практично непомітна. Проте при низькій температурі довкілля переваги вакуумних колекторів стають очевидні. Також, навіть в літній час є різниця в між максимальними температурами нагріву води в колекторах.

Якщо для плоских колекторів максимальна температура не перевищує 80-90 градусів, то у вакуумних колекторах температура теплоносія може перевищувати 100 ОС. З одного боку, це вимагає постійного відведення тепла від вакуумного колектора, аби він не закипів. Проте з іншого боку, в системах з плоскими колекторами існує проблема розмноження бактерій і інших мікроорганізмів (там тепло і волога), якої немає в системах з вакуумними колекторами.

Сонячні колектори різного типу дозволяють отримати теплову енергію, яка в першу чергу використовується для приготування гарячої води, що особливо актуально в літній період року, коли спостерігається максимальна сонячна активність і максимальний вжиток гарячої води.

Окрім цього в окремих випадках при побудові комбінованих котельних установок тепло від сонячних колекторів частково можна використовувати в різних системах опалювання, наприклад, при роботі котельної установки в перехідні періоди року, в районах з високою сонячною активністю. Такий підхід дозволяє істотно підвищити ефективність котельної установки в цілому.

Використовуючи енергію сонця, геліосистеми дозволяють щорік економити традиційне паливо:

- до 75% - для гарячого водопостачання (ГВС) при цілорічному використанні;

- до 95% - для ГВС при сезонному використанні;

- до 50% - для цілей опалювання;

- до 80% - для цілей чергового опалювання.

Слід враховувати, що кожна система індивідуальна, і відсоток економії енергоресурсів при використанні геліосистеми необхідно розраховувати. Для розрахунків гелиосистем використовує складні програмні продукти.

Принцип роботи сонячної водонагрівальної установки

Рис. 4 Схема цілорічної сонячної водонагрівальної установки

Сонячна водонагрівальна установка СВУ складається з сонячного колектора і теплообмінника-акумулятора. Через сонячний колектор циркулює теплоносій (антифриз). Теплоносій нагрівається в сонячному колекторі енергією сонця і віддає потім теплову енергію воді через теплообмінник, вмонтований в бак-акумулятор. У баку-акумуляторі зберігається гаряча вода до моменту її використання, тому він повинен мати хорошу теплоізоляцію. У першому контурі, де розташований сонячний колектор, може використовуватися природна або примусова циркуляція теплоносія. У бак-акумулятор може встановлюватися електричний або який-небудь інший автоматичний нагрівач-дублер. В разі пониження температури в баку-акумуляторі нижче встановленої (тривала похмура погода або мала кількість годинника сонячного сяяння зимою) нагрівач-дублер автоматично включається і догріває воду до заданої температури.

Типи систем сонячного теплопостачання

Розглянемо більш детально опис таких чотирьох різних систем сонячного теплопостачання:

1. Одноконтурна система з пасивною циркуляцією теплоносія.

2. Одноконтурна система з активною циркуляцією теплоносія.

3. Двоконтурна система з пасивною циркуляцією теплоносія.

4. Двоконтурна система з активною циркуляцією теплоносія .

Одноконтурна система з пасивною циркуляцією теплоносія. Робота одноконтурної термосифонної системи для прямого нагріву води.

Колектори, бак-акумулятор і сполучні трубопроводи системи заповнені холодною водою. Сонячне випромінювання, проходячи через прозоре покриття (скління) колектора нагріває його поглинаючу панель і воду в її каналах. При нагріві щільність води зменшується і нагріта рідина починає переміщатися у верхню точку колектора і далі по трубопроводу - в бак-акумулятор. У баку нагріта вода переміщається у верхню крапку, а холодніша вода розміщується в нижній частині бака, тобто спостерігається розшарування води залежно від температури. Холодніша вода з нижньої частини бака по трубопроводу поступає в нижню частину колектора. Таким чином, за наявності достатньої сонячної радіації, в колекторному контурі встановлюється постійна циркуляція, швидкість і інтенсивність якої залежать від щільності потоку сонячного випромінювання. Поступово, протягом світлового дня, відбувається повне прогрівання всього бака, при цьому відбір води для використання повинен вироблятися з найбільш гарячих шарів води, розташованих у верхній частині бака. Зазвичай це робиться подачею холодної води в бак знизу під тиском, яка витісняє нагріту воду з бака.

Рис. 5 Принципова схема одноконтурної термосифонної системи сонячного гарячого водопостачання

Особливістю систем є те, що в разі термосифонної системи нижня 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.

Одноконтурна система з пасивною циркуляцією теплоносія

Робота двоконтурної термосифонної системи:

Робота такої системи аналогічна роботі одноконтурної системи, але в системі є окремий замкнутий колекторний контур, що складається з колекторів, трубопроводів і теплообмінника в баку-акумуляторі. Цей контур заправляється спеціальним (як правило, незамерзаючим) теплоносієм. При нагріві теплоносія в колекторі він поступає у верхню частину теплообмінника, віддає тепло воді в баку і охолоджуючись рухається вниз до входу в колектори, здійснюючи постійну циркуляцію за наявності сонячної радіації.

Повне прогрівання бака відбувається поступово, протягом всього світлового дня, але оскільки відбір води до споживача виробляється з найбільш прогрітих верхніх шарів, користування гарячою водою можливо і до повного прогрівання.

Рис. 6 Принципова схема двоконтурної термосифонної системи сонячного гарячого водопостачання

Особливістю систем є те, що в разі термосифонної системи нижня 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.

Двоконтурна система з активною циркуляцією теплоносія

У системах з примусовою циркуляцією в колекторний контур включається циркуляційний насос, що дає можливість встановлювати бак-акумулятор в будь-якій частині будівлі. Напрям руху теплоносія повинен збігатися з напрямом природній циркуляції в колекторах.

Включення і виключення насоса виробляється електронним блоком управління, що є диференціальним реле, яке управляє, порівнює показники датчиків температури, встановлених на виході з колекторів і в баку.

Насос включається, якщо температура в колекторах вища за температуру води в баку. Існують блоки, що дозволяють міняти швидкість обертання і подачу насоса, підтримуючи постійну різницю температур між колекторами і баком.

Рис. 7 Принципова схема двоконтурної системи сонячного гарячого водопостачання з примусовою циркуляцією

Рис 8. Розміщення в будинку елементів сонячної системи гарячого теплопостачання 1 – сонячний колектор; 2 – розширювальний бак; 3 – бак-акумулятор; 4 – опалювальний казан.