Применение солнечных коллекторов

Юрий Степанович Почанин, 2019

В книге "Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии", том 2, рассмотрены основные элементы солнечных коллекторных систем для отопления и для горячего водоснабжения дома, производственных помещений. Описаны мероприятия по предотвращению стагнации гелиоколлекторных систем. Предложены оптимальные схемы подключения, монтажа и сервиса оборудования гелиоколлекторных систем. Рассмотрен монтаж и сервис гелиоколлекторов. Книга может представлять интерес для школьников, студентов и специалистов, занимающихся проектированием и установкой гелиоколлекторов.

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.