Сонячні системи гарячого водопостачання

 

СОНЯЧНІ СИСТЕМИ ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ

Гаряче водопостачання - найпоширеніший вид прямого застосування сонячної енергії. Типова установка  складається з однієї чи більш  колекторів, у яких рідина нагрівається сонцем, і навіть бака для зберігання гарячої, нагрітої у вигляді рідини-теплоносія. Навіть у регіонах із відносно невеликою кількістю сонячного випромінювання, наприклад, у Північній Європі, сонячна система може забезпечити 50-70% потреби в гарячій воді. Більше отримати неможливо, хіба що за допомогою сезонного регулювання. У Південної Європи сонячний колектор може забезпечити 70-90% гарячої води. Нагрів води за допомогою енергії сонця - дуже практичний і економний спосіб. Тоді, як фотоелектричні системи досягають ефективності 10-15%, теплові сонячні системи показують ККД 50-90%. У порівнянні з дерево- та вугільноспалювальними системами, сонячні водонагрівальні системами забезпечують гарячою водою практично цілий рік не витрачаючи при цьому невідновлювальні джерела енергії.

 Термосифонні сонячні системи 

Схема  сонячного  термосифонного водонагрівача:

Термосифонними  називаються сонячні водонагрівальні  системи з природною циркуляцією (конвекцієй) теплоносія, які в умовах теплої зими (за відсутності морозів). Вони малоефективні у порівнянні з іншими сонячними системами тому що не підходять до дуже холодних кліматичних умов, але вони мають багато переваг з погляду будівництва житла. Термосифонна циркуляція теплоносія завдяки зміні щільності води змінює її температуру. Термосифонна система складається з таких частин:

· плаский колектор (абсорбер);

· трубопроводи;

·Бак-накопичувач (бойлер).

Коли вода в  колекторі (зазвичай, у пласкому) нагрівається, вона піднімається по трупопроводу до бака накопичувача; її місце в колекторі бака накопичувача замінює холодна вода. Тому необхідно розташовувати колектор нижче бака-накопичувача і утеплювати з'єднувальні труби.

Такі установки  популярні у субтропічних і тропічних областях.

Сонячні системи  підігріву води

Найчастіше використовують для обігріву басейнів. Попри те що, що вартість такий установок змінюється залежно від розміру басейну та інших технічних умов, якщо сонячні системи встановлюються із метою економії споживання палива чи електроенергії, то такі системи за 2-4 роки окупають собівартість при цьому допомагають значно заощадити на використанні традиційних джерел енергії. Внаслідок чого обігрів басейну дозволяє на кілька тижнів продовжити купальний сезон без додаткових витрат.У багатьох будинків легко розташувати сонячний обігрівач для басейну. Він може приєднуватися до звичайного трубопроводу, яким у басейн подається вода. Для відкритих басейнів потрібно лише встановити абсорбер. Закриті басейни вимагають установки стандартних колекторів, щоб забезпечити теплу воду і взимку. Сонячний водонагрівач - різновид сонячного колектора. Призначений для виробництва гарячої води шляхом поглинання сонячного випромінювання, перетворення його в тепло, акумуляції та передачі споживачеві.

ТИПИ  СОНЯЧНИХ КОЛЕКТОРІВ:

Сонячні водонагрівачі  можуть бути активного або пасивного  типів. Активна система використовує електричний насос для циркуляції рідини через колектор; пасивна система не має насоса і покладається тільки на природну циркуляцію. Є експериментальні зразки, де перекачка теплоносія виробляється Стірлінг-насосом, які отримують енергію від сонця.

Пасивні системи:

Приклад  сонячного  пасивного водонагрівача

Пасивні (Термосифонні) системи переміщують готову воду або теплоносій через систему  за рахунок природної гравітації, що виникає при різниці густин нагрітого і охолодженого теплоносія. Пасивні системи з конвекцією дешевше, ніж активні системи, але і менш ефективні через повільну циркуляції в системі. Системи з тепловими трубами дорожчі, ніж конвективні, але мають менші експлуатаційні витрати. Крім того, системи з тепловими трубами дозволяють перекачувати тепло вниз, тобто проти сил конвекції. Характеристики сильно залежать від конкретного типу труб.

Пасивні сонячні  нагрівальні системи дуже рентабельні, і тому є доцільним включати їх у проекти всіх нових будинків. Однак, поки старі будинки не зміняться, споживання традиційних енергоресурсів не знизиться; у кращому випадку сповільниться його ріст. Дійсно скоротити їхнє використання могло б повсюдне покращення теплоізоляції будинків і встановлення в них «заднім числом» сонячних систем опалення і водонагрівання. У такому випадку з'явиться можливість перекинути частину паливно-мастильних матеріалів, що використовуються в побутових цілях, на потреби транспорту. Це б дало більше часу для вирішення проблеми майбутнього дефіциту сирої нафти, необхідної для виробництва автомобільного пального.

Безнапорна система сонячного водопостачання:

Приклад системи  з пасивною циркуляцією теплоносія (двоконтурна).

Пасивний водонагрівачпасивний водонагрівач:

 

 

 

 

 

 

 

                 

Принципова  схема установки сонячного теплопостачання:

Активні Системи:

Активні системи  використовують електричні насоси, клапани  та контролери для циркуляції теплоносія через колектор. Вони зазвичай дорожчі, ніж пасивні системи, але і  більш ефективні.

Активні системи  використовують електричні насоси, клапани та контролери для циркуляції теплоносія через колектор. Вони зазвичай дорожчі, ніж пасивні системи, але і більш ефективні.

Активні системи  з відкритим контуром

Активні системи  з відкритим контуром використовують насоси для циркуляції води через колектори. Активні системи з відкритим контуром є популярними в регіонах з позитивними температурами або при сезонному використанні. Можуть експлуатуватися при температурах повітря до -20 ° C або -25 ° C.

Активні системи  із закритим контуром

У цих системах теплоносієм колектора є зазвичай водно-гліколіевий антифриз. Теплообмінники передають високу температуру від  теплоносія першого контуру воді, яка запасена в баках (теплоакумулятор). Системи із закритим контуром популярні  в областях, що піддаються тривало діючим негативними температурам, так як вони мають гарний захист від заморожування. У зв'язку з високими значеннями температури при застої теплоносія в періоди максимального опромінення, не всі антифризи придатні для використання в сонячних системах.

Схема сонячної водонагріваючої установки:

1. сонячні промені;
2. вакуумний колектор;
3. датчик температури № 1;
4. бак скидання зайвого тиску;
5. центр управління;
6. контролер;
7. електронагрівач;
8. датчик температури № 2;
9. запобіжний клапан;
10. вхідний отвір (холодна вода);
11. вихідний отвір (гаряча вода);
12. накопичувальний резервуар з двома теплообмінниками;
13. основний контур опалювання.

Активні системи  з відкритим контуром:

Активні системи  з відкритим контуром використовують насоси для циркуляції води через  колектори. Активні системи з відкритим контуром є популярними в регіонах з позитивними температурами або при сезонному використанні. Можуть експлуатуватися при температурах повітря до -20 ° C або -25 ° C.

Активні системи  із закритим контуром:

У цих системах теплоносієм колектора є зазвичай водно-гліколіевий антифриз. Теплообмінники передають високу температуру від теплоносія першого контуру воді, яка запасена в баках (теплоакумулятор). Системи із закритим контуром популярні в областях, що піддаються тривало діючим негативними температурам, так як вони мають гарний захист від заморожування. У зв'язку з високими значеннями температури при застої теплоносія в періоди максимального опромінення, не всі антифризи придатні для використання в сонячних системах.

 

До складу будь якої сонячної водонагрівної системи входять:

- колектор;

- система циркуляції  теплоносія;

- теплоізольований  бак зберігання нагрітої води.

 

За своєю  будовою колектори поділяються  на:

- пласкі (панельні);

- вакуумні.

Колектор панельного типу:

Найбільшу популярність отримали нагрівачі з плоским колектором, або панельні. У солнцеізбиточних регіонах (Туреччина, Південні райони КНР, Саудівська Аравія і т. д.) в якості абсорбера в таких колекторах використовується пластина з алюмінію або сталі. Значення ККД таких колекторів невелике, що компенсується високими (надлишковими) величинами сонячної опромінення поверхні в цих регіонах.

Для величин  сонячної опромінення (інсоляції) навіть південних регіонів Росії потрібні колектори з пластиною з міді зі спеціальним покриттям. За високої теплопровідності міді питомі значення теплопередачі енергії теплоносію і загальний ККД значно вище.

Cхема колектора панельного типу:

1 Скляне покриття

2 газонаповнені інертним (благородним) газом

3 Плоский абсорбер

4 Теплоізоляційний матеріал

5 Арфообразная труба

B Дужка Тіхельманна (приналежність геліоколектора)

V1 Прямий трубопровід геліоконтура (вмонтована трубка Тіхельманна)

V2 Місце підключення реверсу прямого трубопроводу (за допомогою дужки Тіхельманна)

R Зворотний трубопровід геліоконтура

M Місце виміру температури (заглибна гільза датчика температури)

Вакуумного типу:

                              

1 - бак для  води; 2 - зовнішній шар бака; 3 - внутрішній  шар бака; 4 - вакуумні трубки; 5 - мідні  теплові трубки, встановлені всередині вакуумної скляної трубки; 6 - підпірна рама, матеріал - сталь з гальванічним покриттям; 7 - відображає пластина - додаткова опція; 8 - гумове ущільнення; 9 - запобіжний клапан; 10 - датчик контролера; 11 - вихід гарячої води; 12 - кріплення для установки вакуумних трубок на рамі.

За рахунок  використання теплових трубок в конструкції  вакуумних колекторів досягається  більший ККД при роботі в умовах низьких температур і слабкої  освітленості. У той же час використання додаткового теплового контуру призводить до неминучих втрат, пов'язаних з передачею тепла між середовищами, тому при температурах вище +15 градусів ефективність вакуумних колекторів практично збігається, а іноді і нижче ніж у плоских колекторів. За рахунок якісних багатошарових високоселективних покриттів і вакуумування, сучасний сонячний колектор здатний уловлювати сонячну енергію в дуже широкому спектрі випромінювання (значно ширше видимого спектру).

Існує кілька основних типів вакуумних сонячних колекторів:

1. Колба в  колбі.

2. Колба в  колбі з тепловою трубкою.

3. Вакуумована  колба.

Колба в колбі:

В колекторах першого  типу нагрів теплоносія відбувається при контакті з селективним покриттям  скляної колби. В якості теплоносія може виступати як вода, так і антифриз (або його суміш з водою). Такі системи працюють при відсутності надмірного тиску з боку теплоносія, так як не можуть бути ефективно гідроізольовані. Найчастіше це системи з пасивною циркуляцією теплоносія.

Колба в колбі  з тепловою трубкою:

В колекторах з використанням колб другого типу застосовуються мідні теплові трубки. Передача тепла з абсорбера до трубки здійснюється за допомогою ребер. Теплова трубка передає тепло в конденсатор теплової трубки, який приєднаний до колектора, в якому відбувається циркуляція теплоносія.

Вакуумована колба:

Головною відмінністю  колб третього типу є вакуумна теплоізоляція  мідної теплової трубки. Якщо в колбах першого і другого типу вакуумна прошарок знаходиться між скляними стінками колб, то у вакуумованих колбах і абсорбер і теплова трубка знаходяться при зниженому тиску повітря. Крім того, наявність лише одного шару скла замість двох збільшує ККД установки.

ЕТАПИ ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМ СОНЯЧНОГО ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ:

В даний час  існує багато різних інженерних методик розрахунку геліосистем теплопостачання. Методики розрахунку геліосистем теплопостачання пропонують розбивати вирішення проблеми на наступні основні етапи: подання кліматичних даних, розрахунок основних складових частин геліосистеми (колектора, акумулятора теплоти і т. д. ), ув'язка всіх складових у систему і визначення частки заміщення теплового навантаження системи теплопостачання. Розрахунок геліосистеми ускладнюється коливанням кліматичних даних і зміною в роботі системи залежно від її параметрів. Існує кілька методів розрахунку частки заміщення теплового навантаження в системі теплопостачання залежно від характеристик системи. Інженерні методики базуються на реалізації складних математичних моделей геліосистем теплопостачання, які дозволяють отримати спрощені залежності, наприклад, метод f-діаграми.

 

Оптимальна  геліосистема теплопостачання має  забезпечувати покриття частки fопт річної навантаження системи теплопостачання при мінімальних витратах на одиницю теплової енергії. Розрахунок по f-методу заснований на середньомісячних значеннях метеорологічних параметрів і може використовуватися для визначення довгострокових теплових характеристик системи сонячного теплопостачання залежно від основних конструктивних параметрів системи. На базі цього методу розроблені інженерні методики розрахунку геліосистем. Як і при підборі будь-якого іншого обладнання для системи теплопостачання, при проектуванні сонячної системи, насамперед, визначають мета розрахунку. Оскільки сонячна система майже завжди є частиною системи теплопостачання, метою, по суті, є визначення частки навантаження на систему теплопостачання, покривається за рахунок сонячної енергії (частка заміщення теплового навантаження), тобто бажане з точки зору енергетичної потреби співвідношення між сонячною енергією і традиційною. У наших кліматичних умовах сонячна система без додаткового джерела теплоти не може забезпечити надійне теплопостачання. Тому частина системи теплопостачання, яка підключена до традиційного джерела енергії, розраховується незалежно від сонячної системи. Тим не менш, взаємодію між різними джерелами теплоти має найважливіше значення для досягнення максимальної ефективності системи в цілому і, отже, для ефективного енергозбереження.