Солнечная энергия в системах теплоснабжения. Солнечное теплоснабжение. Достоинства и недостатки солнечных тепловых электростанций

Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха. Солнце светит и зимой, но его излучение обычно недооценивается.

Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер генерировал пар; это было, когда солнце находилось в своей самой низкой точке, а температура воздуха была 3°С. Днем позже солнечный коллектор площадью 0,7 м2 нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60°С.

Солнечная энергия зимой может легко использоваться для обогрева воздуха в помещениях. Весной и осенью, когда часто бывает солнечно, но холодно, солнечный обогрев помещений позволит не включать основное отопление. Это дает возможность сэкономить часть энергии, а соответственно и деньги. Для домов, которыми редко пользуются, или для сезонного жилья (дачи, бунгало), обогрев солнечной энергией особенно полезен зимой, т.к. исключает чрезмерное охлаждение стен, предотвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются.

При отоплении домов с помощью солнечного тепла необходимо решать проблему теплоизоляции помещений на основе архитектурно-конструктивных элементов, т.е. при создании эффективной системы солнечного отопления следует возводить дома, имеющие хорошие теплоизоляционные свойства.

Стоимость тепла
Вспомогательное отопление

Солнечный вклад в отопление дома
К сожалению, период поступления тепла от Солнца далеко не всегда совпадает по фазе с периодом появления тепловых нагрузок.

Большая часть энергии, которая имеется в нашем распоряжении в течение летнего периода, теряется из-за отсутствия постоянного спроса на нее (на самом деле коллекторная система является до некоторой степени системой саморегулирующейся: когда температура носителя достигает равновесного значения, тепловосприятие прекращается, поскольку тепловые потери от солнечного коллектора становятся равными воспринимаемому теплу).

Количество полезного тепла, поглощенного солнечным коллектором, зависит от 7 параметров:

1. величины поступающей солнечной энергии;
2. оптических потерь в прозрачной изоляции;
3. поглощающих свойств тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора;
4. эффективности теплоотдачи от теплоприемника (от тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора к жидкости, т.е. от величины эффективности теплоприемника);
5. пропускательной способности прозрачной теплоизоляции, которая определяет уровень тепловых потерь;
6. температуры тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора, которая в свою очередь зависит от скорости теплоносителя и температуры теплоносителя на входе в солнечный коллектор;
7. температуры наружного воздуха.

Эффективность солнечного коллектора, т.е. отношение использованной энергии и падающей, будет определяться всеми этими параметрами. При благоприятных условиях она может достичь 70%, а при неблагоприятных снизиться до 30%. Точное значение эффективности можно получить при предварительном расчете только путем полного моделирования поведения системы с учетом всех факторов, перечисленных выше. Очевидно, что такая задача может быть решена только с применением компьютера.

Поскольку плотность потока солнечной радиации постоянно меняется, то для расчетных оценок можно пользоваться полными суммами радиации за день или даже за месяц.

В табл. 1 в качестве примера приведены:

средние месячные суммы поступления солнечной радиации, измеренные на горизонтальной поверхности;

суммы, рассчитанные для вертикальных стен, обращенных на юг;

суммы для поверхностей с оптимальным углом наклона 34° (для Кью, близ Лондона).

Таблица 1. Месячные суммы прихода солнечной радиации для Кью (близ Лондона)

Из таблицы видно, что поверхность с оптимальным углом наклона получает (в среднем в течение 8 зимних месяцев) примерно в 1,5 раза больше энергии, чем горизонтальная поверхность. Если известны суммы прихода солнечной радиации на горизонтальную поверхность, то для пересчета на наклонную поверхность их можно умножить на произведение этого коэффициента (1,5) и принятого значения эффективности солнечного коллектора, равного 40%, т.е.

1,5*0,4=0,6

При этом получится количество полезной энергии, поглощенной наклонной тепловоспринимающей поверхностью в течение данного периода.

Для того, чтобы определить эффективный вклад солнечной энергии в теплоснабжение здания даже путем ручного подсчета, необходимо составить по крайней мере месячные балансы потребностей и полезного тепла, получаемого от Солнца. Для наглядности рассмотрим пример.

Если использовать приведенные выше данные и рассмотреть дом, для которого интенсивность тепловых потерь составляет 250 Вт/°C, местоположение характеризуется годовым числом градусо-дней равным 2800 (67200°C*ч). а площадь солнечных коллекторов составляет, например, 40 м2, то получается следующее распределение по месяцам (см. табл. 2).

Таблица 2. Расчет эффективного вклада солнечной энергии

Месяц	°C*ч/мес	Сумма радиации на горизонтальной поверхности, кВт*ч/м2	Полезное тепло на единицу площади коллектора (D*0,6), кВт*ч/м2	Суммарное полезное тепло (E*40 м2), кВт*ч	Солнечный вклад, кВт*ч/м2
A	B	C	D	E	F	G
Январь	10560	2640	18,3	11	440	440
Февраль	9600	2400	30,9	18,5	740	740
Март	9120	2280	60,6	36,4	1456	1456
Апрель	6840	1710	111	67,2	2688	1710
Май	4728	1182	123,2	73,9	2956	1182
Июнь	-	-	150,4	90,2	3608	-
Июль	-	-	140,4	84,2	3368	-
Август	-	-	125,7	75,4	3016	-
Сентябрь	3096	774	85,9	51,6	2064	774
Октябрь	5352	1388	47,6	28,6	1144	1144
Ноябрь	8064	2016	23,7	14,2	568	568
Декабрь	9840	2410	14,4	8,6	344	344
Сумма	67200	16800	933	559,8	22392	8358

Стоимость тепла
Подсчитав количество тепла, обеспечиваемого за счет Солнца, необходимо представить его в денежном выражении.

Стоимость выработанного тепла зависит от:

стоимости топлива;

теплотворной способности топлива;

общей эффективности системы.

Полученные таким образом эксплуатационные расходы можно затем сравнить с капитальными затратами на солнечную отопительную систему.

В соответствии с этим, если считать, что в рассмотренном выше примере солнечная отопительная система используется вместо традиционной системы отопления, потребляющей, например, газовое топливо и вырабатывающей тепло стоимостью 1,67 руб/кВт*ч, то, чтобы определить полученную годовую экономию, надо 8358 кВт*ч, обеспечиваемых за счет солнечной энергии (согласно расчетам табл. 2 для площади коллектора 40 м2), умножить на 1,67 руб/кВт*ч, что дает

8358*1,67 = 13957,86 руб.

Вспомогательное отопление
Одним из вопросов, наиболее часто задаваемых людьми, которые хотят понять использование солнечной энергии для отопления (или другой цели), является вопрос: «Что делать, когда солнце не светит?» Поняв концепцию запасания энергии, они задают следующий вопрос: «Что делать, когда в аккумуляторе не остается больше тепловой энергии?» Вопрос закономерен, и необходимость в дублирующей, часто традиционной системе является серьезным камнем преткновения для широкого принятия солнечной энергии в качестве альтернативы существующим источникам энергии.

Если мощности системы солнечного теплоснабжения недостаточно, чтобы продержать здание в течение периода холодной, пасмурной погоды, то последствия, даже один раз за зиму, могут быть достаточно серьезными, заставляющими предусматривать в качестве дублирующей обычную полномерную систему отопления. Большинство зданий, отапливаемых солнечной энергией, нуждаются в полномерной дублирующей системе. В настоящее время в большинстве районов солнечная энергия должна рассматриваться в качестве средства снижения расхода традиционных видов энергии, а не как полный их заменитель.

Обычные отопители являются подходящими дублерами, но существует немало и других альтернатив, например:

Камины;
- дровяные печи;
- дровяные калориферы.

Предположим, однако, что нам захотелось сделать систему солнечного теплоснабжения достаточно большой, чтобы обеспечить теплом помещение в наиболее неблагоприятных условиях. Поскольку сочетание очень холодных дней и долгих периодов облачной погоды случается редко, то дополнительные размеры солнечной энергетической установки (коллектор и аккумулятор), которые потребуются для этих случаев, обойдутся слишком дорого при сравнительно небольшой экономии топлива. Кроме того, большую часть времени система будет работать при мощности ниже номинальной.

Система солнечного теплоснабжения, рассчитанная на обеспечение 50% отопительной нагрузки, может дать достаточно тепла только на 1 день очень холодной погоды. При удвоении размеров солнечной системы дом будет обеспечен теплом в течение 2 холодных пасмурных дней. Для периодов более 2 дней последующее увеличение размеров будет столь же неоправданным, как и предыдущее. Кроме того, будут периоды мягкой погоды, когда второе увеличение не потребуется.

Теперь, если увеличить площадь коллекторов отопительной системы еще в 1,5 раза, чтобы продержаться 3 холодных и облачных дня, то теоретически она будет достаточной для обеспечения 1/2 всей потребности дома в течение зимы. Но, разумеется, на практике этого может не быть, поскольку случается иногда 4 (и более) дня подряд холодной облачной погоды. Чтобы учесть этот 4-ый день, нам потребуется система солнечного отопления, которая теоретически может собрать в 2 раза больше тепла, чем это необходимо зданию в течение отопительного сезона. Ясно, что холодные и облачные периоды могут быть более продолжительными, чем предусмотрено в проекте системы солнечного теплоснабжения. Чем больше коллектор, тем менее интенсивно используется каждое дополнительное приращение его размеров, тем меньше энергии экономится на единицу площади коллектора и тем меньше окупаемость капиталовложений на каждую дополнительную единицу площади.

Тем не менее, предпринимались смелые попытки накопить достаточное количество тепловой энергии солнечного излучения для покрытия всей потребности в отоплении и отказаться от вспомогательной системы отопления. За редким исключением таких систем, как солнечный дом Г. Хэя, долговременное аккумулирование тепла является, пожалуй, единственной альтернативой вспомогательной системе. Г. Томасон близко подошел к 100%-ному солнечному отоплению в своем первом доме в Вашингтоне; только 5% отопительной нагрузки покрывалось за счет стандартного отопителя на жидком топливе.

Если вспомогательная система покрывает лишь небольшой процент всей нагрузки, то есть смысл использовать электроотопление, несмотря на то, что оно требует производства значительного количества энергии на электростанции, которая затем преобразуется в тепло для обогрева (на электростанции расходуется 10500...13700 кДж для производства 1 кВт*ч тепловой энергии в здании). В большинстве случаев электрообогреватель будет дешевле нефтяной или газовой печи, а сравнительно небольшое количество электроэнергии, необходимой для обогрева здания, может оправдать его применение. Кроме того, электронагреватель - менее материалоемкое устройство благодаря сравнительно небольшому количеству материала (по сравнению с отопителем), идущему на изготовление электроспиралей.

Так как КПД солнечного коллектора существенно возрастает, если эксплуатировать его при низких температурах, то отопительная система должна рассчитываться на использование как можно более низких температур - даже на уровне 24...27°C. Одно из достоинств системы Томасона, использующей теплый воздух, заключается в том, что она продолжает извлекать полезное тепло из аккумулятора при температурах, почти равных температуре помещения.

В новом строительстве отопительные системы можно рассчитывать на использование более низких температур, например, путем удлинения трубчато-ребристых радиаторов с горячей водой, увеличения размеров радиационных панелей или увеличения объема воздуха более низкой температуры. Проектировщики чаще всего останавливают свой выбор на отоплении помещения с помощью теплого воздуха или на применении увеличенных радиационных панелей. В системе воздушного отопления лучше всего используется низкотемпературное запасенное тепло. Лучистые отопительные панели имеют длительное запаздывание (между включением системы и нагревом воздушного пространства) и обычно требуют более высоких рабочих температур теплоносителя, чем системы с горячим воздухом. Поэтому тепло из аккумулирующего устройства не используется в полной мере при более низких температурах, которые приемлемы для систем с теплым воздухом, да и общий КПД такой системы ниже. Превышение размеров системы из радиационных панелей для получения результатов, аналогичных результатам при использовании воздуха, может повлечь за собой значительные дополнительные затраты.

Для повышения общего КПД системы (солнечного отопления и вспомогательной дублирующей системы) и одновременного снижения общих затрат путем ликвидации простоя составных частей, многие проектировщики избрали путь интегрирования солнечного коллектора и аккумулятора со вспомогательной системой. Общими являются такие составные элементы, как:

Вентиляторы;
- насосы;
- теплообменники;
- органы управления;
- трубы;
- воздуховоды.

На рисунках статьи Системное проектирование показаны различные схемы таких систем.

Ловушкой при проектировании стыковых элементов между системами является увеличение органов управления и движущихся частей, что повышает вероятность механических поломок. Искушение увеличить на 1...2% КПД путем добавления еще одного устройства на стыке систем является почти непреодолимым и может быть наиболее распространенной причиной выхода из строя солнечной отопительной системы. Обычно вспомогательный обогреватель не должен нагревать отсек аккумулятора солнечного тепла. Если это происходит, то фаза сбора солнечного тепла будет менее эффективной, так как почти всегда этот процесс будет протекать при более высоких температурах. В других системах снижение температуры аккумулятора благодаря использованию тепла зданием повышает общий КПД системы.

Причины других недостатков этой схемы объясняются большой потерей тепла из аккумулятора из-за его постоянно высоких температур. В системах, в которых вспомогательное оборудование не нагревает аккумулятор, последний будет терять значительно меньше тепла при отсутствии солнца в течение нескольких дней. Даже в спроектированных таким путем системах потери тепла из контейнера составляют 5...20% всего тепла, поглощенного системой солнечного отопления. С аккумулятором, обогреваемом вспомогательным оборудованием, потеря тепла будет значительно выше и может быть оправдана только в том случае, если контейнер аккумулятора находится внутри отапливаемого помещения здания

Доктор технических наук Б.И.Казанджан
Московский Энергетический Институт
(технический университет), Россия
Журнал Энергия, №12, 2005.

1. Введение.

Основными причинами, побудившими человечество заняться широкомасштабным промышленным освоением возобновляемых источников энергии являются:
-климатические изменения обусловленные увеличением содержания СО2 в атмосфере;
-сильная зависимость многих развитых стран, особенно европейских, от импорта топлива;
-ограниченность запасов органического топлива на Земле.
Недавнее подписание Киотского протокола большинством развитых стран мира поставило на повестку дня ускоренное развитие технологий способствующих сокращению выбросов СО2 в окружающую среду. Стимулом для развития этих технологий является не только осознание угрозы изменения климата и связанных с этим экономических потерь, но и тот факт, что квоты на выброс парниковых газов стали товаром, имеющим вполне реальную стоимость. Одной из технологий, позволяющей снизить расход органического топлива и уменьшить выбросы СО2, является производство низкопотенциального тепла для систем горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования воздуха, технологических и иных нужд за счет солнечной энергии. В настоящее время более 40% первичной энергии расходуемой человечеством приходится на покрытие именно этих потребностей, и именно в этом секторе технологии использования солнечной энергии являются наиболее зрелыми и экономически приемлемыми для широкого практического использования. Для многих стран использование солнечных систем теплоснабжения - это еще и способ уменьшить зависимость экономики от импорта ископаемых топлив. Эта задача особенно актуальна для стран Европейского Союза, экономика которого уже сейчас на 50% зависит от импорта ископаемых энергоресурсов, а до 2020 года эта зависимость может возрасти до 70%, что является угрозой экономической независимости этого региона

2.Масштабы использования солнечных систем теплоснабжения

О масштабах современного использования солнечной энергии для нужд теплоснабжения свидетельствуют следующие статистические данные .
Общая площадь солнечных коллекторов установленных в странах ЕС к концу 2004 года достигла 13960000 м2, а в мире превысила 150000000 м2. Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12% , а в отдельных странах достигает уровня 20-30% и более. По количеству коллекторов на тысячу жителей населения мировым лидером является Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м2 солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия - 47%, далее следуют Греция - 14%, Австрия - 12%, Испания - 6%, Италия - 4%, Франция - 3%. Европейские страны являются бесспорными лидерами в разработке новых технологий систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объемах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок. Статистические данные по увеличению количества вводимых в эксплуатацию солнечных коллекторов в мире по итогам 2004 года дают следующее распределение: Китай - 78%, Европа - 9%, Турция и Израиль - 8%, остальные страны - 5%.
По экспертной оценке ESTIF (Европейская Федерация промышленности солнечных тепловых установок) технико-экономический потенциал по использованию солнечных коллекторов в системах теплоснабжения только в странах ЕС составляет более 1,4 млрд.м2 способных производить более 680 000 ГВтч тепловой энергии в год. Планы на ближайшую перспективу предусматривают установку в этом регионе 100 000000 м2 коллекторов к 2010 году.

3. Солнечный коллектор - ключевой элемент солнечной системы теплоснабжения

Солнечный коллектор является основным компонентом любой солнечной системы теплоснабжения. Именно в нем происходит преобразование солнечной энергии в тепло. От его технического совершенства и стоимости зависит эффективность работы всей системы солнечного теплоснабжения и ее экономические показатели.
В системах теплоснабжения используются в основном два типа солнечных коллекторов: плоский и вакуумный.

Плоский солнечный коллектор состоит из корпуса, прозрачного ограждения, абсорбера и тепловой изоляции (фиг.1).

Фиг. 1 Типичная конструкция плоского солнечного коллектора

Корпус является основной несущей конструкцией,.прозрачное ограждение пропускает солнечную радиацию внутрь коллектора, защищает абсорбер от воздейсквия внешней среды и уменьшает тепловые потери с лицевой стороны коллектора. Абсорбер поглощает солнечную радиацию и по трубкам соедененным с его теплоприемной поверхностью передает тепло теплоносителю. Тепловая изоляция уменьшает тепловые потери с тыльной и боковой поверхностей коллектора.
Теплоприемная поверхность абсорбера имеет селективное покрытие, имеющее высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной области солнечного спектра и низкий коэффициент излучения в области спектра соответствующего рабочим температурам коллектора. У лучших современных коллекторов коэффициет поглощения находитвя в пределах 94-95%, коэффициет излучения 3-8%, а кпд в области рабочих температур типичных для систем теплоснабжения превышает 50% Неселективное черное покрытие абсорбера в современных коллекторах используется редко из-за высоких потерь на излучение. На рис 2 показаны примеры современных плоских коллекторов.

В вакуумных коллекторах (рис 3) каждый элемент абсорбера помещается в отдельную стеклянную трубу, внутри которой создается вакуум, благодаря чему потери тепла за счет конвекции и теплопроводности воздуха подавяются практически полностью. Селективное покрытие на поверхности абсорбера позволяет минимизировать потери на излучение. В результате к.п.д вакуумного коллектора получается существенно выше чем у плоского коллектора, на и стоимость его заначительно выше.

аб

Рис 2 Плоские солнечные коллектры

а) фирма Вагнер, б) фирма Ферон

а б

Рис 3 Вакуумный коллектор фирмы Виссман
а) общий вид, б) монтажная схема

3. Тепловые схемы солнечных систем теплоснабжения

В мировой практике наиболее широко распространены малые системы солнечного теплоснабжения. Как правило, такие системы включают в себя солнечные коллекторы общей площадью 2-8м2, бак аккумулятор, емкость которого определяется площадью используемых коллекторов, циркуляционный насос или насосы (в зависимости от типа тепловой схемы) и другое вспомогательное оборудование. В небольших системах, циркуляция теплоносителя между коллектором и баком-аккумулятором может осуществяться и без насоса, за счет естественной конвекции (термосифонный принцип). В этом случае бак-аккумулятор должен располагаться выше коллектора. Простейшим типом таких установок является коллектор, спаренный с баком аккумулятором, расположенным на верхнем торце коллектора (рис.4). Системы такого типа используются обычно для нужд горячего водоснабжения в небольших односемейных домах коттеджного типа.

Рис.4 Термосифонная солнечная система теплоснабжения.

На Рис. 5 показан пример активной системы большего размера, в которой бак аккумулятор расположен ниже коллекторов и циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса. Такие системы используются для нужд и горячего водоснабжения и отопления. Как правило, в активных системах, участвующих в покрытии части нагрузки отопления, предусматривается дублирующий источник тепла, использующий электроэнергию или газ.

Рис 5 Тепловая схема активной солнечной системы горячего водоснабжения и отопления

Сравнительно новым явлением в практике использования солнечного теплоснабжения являются крупные системы способные обеспечить нужды горячего водоснабжения и отопления многоквартирных домов или целых жилых кварталов. В таких системах используется либо суточное, либо сезонное аккумулирование тепла.
Суточное аккумулирование предполагает возможность работы системы с использованием накопленного тепла в течение нескольких суток, сезонное - в течение нескольких месяцев.
Для сезонного аккумулирования тепла используют большие подземные резервуары, наполненные водой, в которые сбрасываются все излишки тепла, получаемого от коллекторов в течение лета. Другим вариантом сезонного аккумулирования является прогрев грунта с помощью скважин с трубами, по которым циркулирует горячая вода, поступающая от коллекторов.

В таблице 1. приведены основные параметры крупных солнечных систем с суточным и сезонным аккумулированием тепла в сравнении с малой солнечной системой для односемейного дома.

Тип системы
Площадь коллекторов в расчете на одного человека м2/чел
Объем теплового аккумулятора, л/м2кол
Доля нагрузки горячего водоснабжения покрываемая за счет солнечной энергии %
Доля общей нагрузки, покрываемая за счет солнечной энергии
Стоимость тепла получаемого за счет солнечной энергии для условий Германии Евро/кВтч

На базе использования гелиоустановок могут быть решены задачи отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных объектов. Гелиоустановки имеют следующую классификацию:

• по назначению: системы горячего водоснабжения; системы отопления; комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;
• по виду используемого теплоносителя: жидкостные; воздушные;
• по продолжительности работы: круглогодичные; сезонные;
• по техническому решению схемы: одноконтурные; двухконтурные; многоконтурные.

Наиболее часто применяемыми теплоносителями в системах солнечного теплоснабжения являются жидкости (вода, раствор этиленгликоля, органические вещества) и воздух. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Воздух не замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечками и коррозией оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного теплоснабжения предпочтение отдается жидкостям. Для жилищно-коммунальных нужд основной теплоноситель - вода.

При работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха необходимо либо использовать в качестве теплоносителя антифриз, либо каким-то способом избегать замерзания теплоносителя (например, своевременным сливом воды, нагревом ее, утеплением солнечного коллектора).

Гелиоустановками горячего водоснабжения круглогодичного действия с дублирующим источником теплоты могут быть оборудованы дома сельского типа, многоэтажные и многоквартирные дома, санатории, больницы и другие объекты. Сезонные установки, такие как, например, душевые установки для пионерских лагерей, пансионатов, передвижные установки для геологов, строителей, чабанов функционируют обычно в летние и переходные месяцы года, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дублирующий источник теплоты или обходиться без него в зависимости от типа объекта и условий эксплуатации.

Стоимость гелиоустановок горячего водоснабжения может составлять от 5 до 15% стоимости объекта и зависит от климатических условий, стоимости оборудования и степени его освоенности.

В гелиоустановках, предназначенных для систем отопления, в качестве теплоносителей используют как жидкости, так и воздух. В многоконтурных гелиоустановках в разных контурах могут быть использованы различные теплоносители (например, в гелиоконтуре - вода, в распределительном - воздух). У нас в стране преобладающее распространение получили водяные гелиоустановки для теплоснабжения.

Площадь поверхности солнечных коллекторов, необходимая для систем отопления, обычно в 3-5 раз превышает площадь поверхности коллекторов для систем горячего водоснабжения, поэтому коэффициент использования этих систем ниже, особенно в летний период года. Стоимость установки для системы отопления может составлять 15-35% стоимости объекта.

К комбинированным системам могут быть отнесены установки круглогодичного действия для целей отопления и горячего водоснабжения, а также установки, работающие в режиме теплового насоса и тепловой трубы для целей тепло-хладоснабжения. Эти системы пока не применяются широко в промышленности.

Плотность потока солнечной радиации, приходящей на поверхность коллектора, в значительной степени определяет теплотехнические и технико-экономические показатели систем солнечного теплоснабжения.

Плотность потока солнечной радиации изменяется в течение дня и в течение года. Это является одной из характерных особенностей систем, использующих солнечную энергию, и при проведении конкретных инженерных расчетов гелиоустановок вопрос о выборе расчетного значения Е является определяющим.

В качестве расчетной схемы системы солнечного теплоснабжения рассмотрим схему, представленную на рис.3.3, которая дает возможность учесть особенности работы различных систем. Солнечный коллектор 1 преобразует энергию солнечного излучения в теплоту, которая передается в бак-аккумулятор 2 через теплообменник 3. Возможно расположение теплообменника в самом баке- аккумуляторе. Циркуляция теплоносителя обеспечивается насосом. Нагретый теплоноситель поступает в системы горячего водоснабжения и отопления. В случае недостатка или отсутствия солнечной радиации в работу включается дублирующий источник теплоты горячего водоснабжения или отопления 5.

Рис.3.3. Схема системы солнечного теплоснабжения: 1 - солнечные коллекторы; 2 - бак-аккумулятор горячей воды; 3 - теплообменник; 4 - здание с напольным отоплением; 5 - дублер (источник дополнительной энергии); 6 - пассивная солнечная система; 7 - галечный аккумулятор; 8 - заслонки; 9 -вентилятор; 10 - поток теплого воздуха в здание; 11- подача рециркуляционного воздуха из здания

В системе солнечного отопления использованы солнечные коллекторы нового поколения "Радуга" НПП "Конкурент" с улучшенными теплотехническими характеристиками за счет использования селективного покрытия на теплопоглощающей панели из нержавеющей стали и светопрозрачного покрытия из особо прочного стекла с высокими оптическими характеристиками.

В системе в качестве теплоносителя используют: воду при плюсовых температурах или антифриз в отопительный период (солнечный контур), воду (второй контур напольного отопления) и воздух (третий контур воздушного солнечного отопления).

В качестве дублирующего источника использован электрокотел.

Повышение эффективности систем гелиоснабжения может быть достигнуто за счет использования различных методов аккумулирования тепловой энергии, рационального сочетания гелиосистем с тепловыми котельными и теплонасосными установками, сочетания активных и пассивных систем разработки эффективных средств и методов автоматического управления.

Для чего используются тепловые солнечные коллекторы? Где можно их использовать - сферы применения, варианты применения, плюсы и минусы коллекторов, технические характеристики, эффективность. Можно ли сделать самому и насколько это оправдано. Схемы применения и перспективы.

Назначение

Коллектор и солнечная батарея два разных устройства. Батарея использует преобразование солнечной энергии в электрическую, накапливающуюся в аккумуляторах и применяющуюся для бытовых нужд. Солнечные коллекторы, как и тепловой насос, предназначены для сбора и накапливания экологически чистой энергии Солнца, преобразование которой используется для нагрева воды либо отопления. В промышленных масштабах стали широко использоваться солнечные тепловые электростанции, преобразующую тепло в электроэнергию.

Устройство

Коллекторы состоят из трех основных частей:

• панели;
• аванкамера;
• накопительный бак.

Панели представлены в виде трубчатого радиатора, помещенного в короб с наружной стенкой из стекла. Их необходимо располагать на любом хорошо освещенном месте. В радиатор панели поступает жидкость, которая затем нагревается и передвигается в аванкамеру, где холодная вода замещается горячей, что создает постоянное динамическое давление в системе. При этом холодная жидкость поступает в радиатор, а горячая в накопительный бак.

Стандартные панели легко приспособить к любым условиям. При помощи специальных монтажных профилей их можно устанавливать параллельно друг другу в ряд в неограниченном количестве. В алюминиевых монтажных профилях просверливают отверстия и крепят к панелям снизу на болты или заклепки. После завершения работы панели солнечных абсорберов вместе с монтажными профилями представляют собой единую жесткую конструкцию.

Система солнечного теплоснабжения делится на две группы: с воздушным и с жидкостным теплоносителем. Коллекторы улавливают и поглощают излучение, и, совершая преобразование ее в тепловую энергию, передают в накопительный элемент, из которой тепло распределяется по помещению. Любая из систем может дополняться вспомогательным оборудованием (циркуляционный насос, датчики давления, предохранительные клапаны).

Принцип работы

В дневное время тепловое излучение передается теплоносителю (вода или антифриз), циркулирующему через коллектор. Нагретый теплоноситель передает энергию в бак водонагревателя, расположенного выше его и собирающего воду для горячего водоснабжения. В простой версии циркуляция воды осуществляется естественным образом благодаря разности плотности горячей и холодной воды в контуре, а для того, чтобы циркуляция не прекращалась, используется специальный насос. Циркуляционный насос предназначен для активной прокачки жидкости по конструкции.


В усложненном варианте коллектор включен в отдельный контур, наполненный водой или антифризом. Насос помогает им начать циркулировать, передавая при этом сохраненную солнечную энергию в теплоизолированный бак-аккумулятор, который позволяет запасать тепло и брать его в случае необходимости. Если энергии недостаточно, предусмотренный в конструкции бака электрический или газовый нагреватель, автоматически включается и поддерживает необходимую температуру.

Виды

Тем, кто хочет, чтобы в его доме была система солнечного теплоснабжения, для начала следует определиться с наиболее подходящим типом коллектора.

Коллектор плоского типа

Представлен в виде коробки, закрытой закаленным стеклом, и имеющий особый слой, поглощающий солнечное тепло. Этот слой соединен с трубками, по которым ведется циркуляция теплоносителя. Чем больше энергии он будет получать, тем выше его эффективность. Уменьшение тепловых потерь в самой панели и обеспечение наибольшего поглощения тепла на пластинах абсорбера позволяет обеспечить максимальный сбор энергии. При отсутствии застоя плоские коллекторы способны нагреть воду до 200 °C. Они предназначены для подогрева воды в бассейнах, бытовых нужд и отопления дома.

Коллектор вакуумного типа

Представляет собой стеклянные батареи (ряд полых трубок). Наружная батарея имеет прозрачную поверхность, а внутренняя батарея покрыта специальным слоем, который улавливает излучение. Вакуумная прослойка между внутренними и внешними батареями помогает сохранить около 90% поглощаемой энергии. Проводниками тепла являются специальные трубки. При нагревании панели происходит преобразование жидкости, находящейся в нижней части батареи в пар, который поднимаясь, предает тепло в коллектор. Этот тип системы имеет больший КПД по сравнению с коллекторами плоского типа, так как его можно использовать при низких температурах и в условиях плохой освещенности. Вакуумная солнечная батарея позволяет нагреть температуру теплоносителя до 300 °C, при использовании многослойного стеклянного покрытия и создании в коллекторах вакуума.

Тепловой насос

Системы солнечного теплоснабжения наиболее эффективно работают с таким устройством, как тепловой насос. Предназначен для сбора энергии из окружающей среды вне зависимости от погодных условий и может устанавливаться внутри дома. В качестве источника энергии здесь могут выступать вода, воздух либо грунт. Тепловой насос может работать, используя лишь солнечные коллекторы, если достаточно солнечной электроэнергии. При использовании комбинированной системы «тепловой насос и солнечный коллектор», не имеет значения тип коллектора, однако наиболее подходящим вариантом будет солнечная вакуумная батарея.

Что лучше

Система солнечного теплоснабжения может устанавливаться на крышах любого вида. Более прочными и надежными считаются плоские коллекторы, в отличие от вакуумных, конструкция которых более хрупкая. Однако при повреждении плоского коллектора придется заменить всю абсорбирующую систему, тогда как у вакуумного замене подлежит лишь поврежденная батарея.


Эффективность вакуумного коллектора гораздо выше, чем плоского. Их можно использовать в зимнее время и они производят больше энергии в пасмурную погоду. Достаточно большое распространение получил тепловой насос, несмотря на свою высокую стоимость. Показатель выработки энергии у вакуумных коллекторов зависит от величины трубок. В норме размеры трубок должны составлять в диаметре 58 мм при длине от 1,2-2,1 метра. Достаточно сложно установить коллектор своими руками. Однако обладание определенными знаниями, а также следование подробным инструкциям по монтажу и выбору места системы, указанными при покупке оборудования существенно упростит задачу и поможет принести в дом солнечное теплоснабжение.

Основная доля расходов по содержанию собственного дома приходится на расходы за отопление. Почему бы не использовать бесплатную энергию естественных источников, например, солнца, для обогрева строения? Ведь современные технологии позволяют это осуществить!

Для аккумуляции энергии солнечных лучей применяются специальные солнечные батареи, установленные на крыше дома. После приема, эта энергия трансформируется в электрическую энергию, которая затем расходится по электросети и используется, как в нашем случае, в обогревательных приборах.

По сравнению с другими источниками энергии – стандартными, автономными и альтернативными – преимущества солнечных батарей налицо:

• практически бесплатное использование;
• независимость от энергопоставляющих компаний;
• количество получаемой энергии легко регулируется путем изменения числа солнечных батарей в системе;
• длительный срок службы (порядка 25 лет) солнечных элементов;
• отсутствие систематического технического обслуживания.

Конечно, у данной технологии есть и свои минусы:

• зависимость от погодных условий;
• наличие дополнительно оборудования, включая громоздкие аккумуляторы;
• достаточно высокая стоимость, которая увеличивает срок окупаемости;
• синхронизация напряжения от батарей с напряжением местной подстанции требует установки специального оборудования.

Применение солнечных батарей

Батареи, преобразующие солнечную энергию, монтируются непосредственно на поверхности крыши дома путем соединения их друг с другом в систему требуемой мощности. Если конфигурация крыши или другие особенности строения не позволяют их закрепить непосредственно, то на крыше или даже на стенах устанавливаются каркасные блоки. Как вариант, возможен монтаж системы на отдельных стойках в окресностях дома.

Солнечные батареи являются генератором электрической энергии, которая выделяется в процессе фотоэлектрических реакций. Невысокий КПД элементов цепи общей площадью 15-18 кв. м тем не менее позволяет отапливать помещения, площадь которых превышает 100 кв. м! Стоит заметить, что современная технология такого оборудования позволяет использовать энергию солнца даже в периоды средней облачности.

Помимо монтажа солнечных батарей реализация системы отопления требует установки дополнительных элементов:

• прибор для отбора электротока от батарей;
• первичный преобразователь;
• контроллеры для солнечных элементов;
• аккумуляторы с собственным контроллером, который в автономном режиме будет переключать систему на сеть подстанции в случае критической нехватки заряда;
• устройство для преобразования постоянного электрического тока в переменный.

Наиболее оптимальный вариант отопительной системы при использовании альтернативного источника энергии – электрическая система. Это позволит обогревать большие помещения путем монтажа токопроводящих полов. Более того, электрическая система позволяет гибко менять температурный режим в жилых помещения, а также исключает необходимость установки объемистых радиаторов и труб под окнами.

В идеальном варианте обогревательная электрическая система, использующая солнечную энергию, должна быть дополнительно оснащена термостатом и автоматическими регуляторами температуры во всех комнатах.

Применение солнечных коллекторов

Системы отопления на основе солнечных коллекторов позволяют обогревать не только жилые дома и коттеджи, но и целые гостиничные комплексы и промышленные объекты.

Такие коллекторы, принцип работы которых основан на «парниковом эффекте», аккумулирует солнечную энергию для дальнейшего использования практически без потерь. Это позволяет осуществить ряд возможностей:

• обеспечить жилые помещения полноценным отоплением;
• установить автономный режим горячего водоснабжения;
• реализовать обогрев воды в бассейнах и саунах.

Работа солнечного коллектора заключается в преобразовании энергии солнечного излучения, попадающего в замкнутое пространство, в тепловую энергию, которая аккумулируется и сохраняется на протяжении длительного времени. Конструкция коллекторов не позволяет сохраненной энергии выходить наружу через прозрачную установку. Центральная гидравлическая система обогрева использует термосифонный эффект, за счет которого нагретая жидкость вытесняет более холодную, заставляя последнюю перемещаться к месту обогрева.

Существует две реализации описанной технологии:

• плоский коллектор;
• вакуумный коллектор.

Наиболее распространенным является плоский солнечный коллектор. Благодаря своей простой конструкции, он успешно применяется для отопления помещений жилых домов и в бытовых системах водообогрева. Устройство состоит из пластины энергопоглотителя, вмонтированную в остекленную панель.

Второй вид — вакуумный коллектор с прямой теплопередачей — представляет собой бак с водой с установленными под углом к нему трубками, по которым нагретая вода поднимается вверх, освобождая место для холодной жидкости. Такая естественная конвекция обуславливает беспрерывную циркуляцию рабочей жидкости в замкнутом контуре коллектора и распределение тепла по отопительной системе.

Другая конфигурация вакуумного коллектора представляет собой конструкцию из закрытых медных трубок со специальной жидкостью низкой температуры кипения. Нагреваясь, эта жидкость испаряется, поглощая тепло из металлических трубок. Поднятые кверху пары конденсируются с передачей тепловой энергии теплоносителю – воде в отопительной системе или основному элементу контура.

При реализации отопления дома посредством использования солнечной энергии необходимо учитывать возможную перестройку крыши или стен здания для получения максимального эффекта. В проекте должны быть учтены все факторы: от местоположения и затемнения строения до географических погодных показателей местности.