Солнечный водонагреватель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Солнечный водонагреватель — разновидность солнечного коллектора. Предназначен для производства горячей воды путём поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

История[править | править вики-текст]

Первый солнечный водонагреватель был создан в 1767 году швейцарским ботаником Орасом Бенедиктом де Соссюром и по своей мощности он позволял приготовить суп.

Современный тип водонагревателей был создан в 1953 году в Израиле инженером Леви Иссаром и усовершенствован доктором Цви Тавором в 1955 году за что получил спустя 3 года премию в 1000 израильских лир от премьер-министра страны, Давида Бен-Гуриона[1].

Устройство[править | править вики-текст]

Трубки водонагревателя

Солнечный водонагреватель с вакуумным коллектором, наиболее эффективный, хотя и самый дорогой, состоит из двух основных элементов:

  • наружного блока — солнечных вакуумных коллекторов;
  • внутреннего блока — резервуара-теплообменника.

Наружный блок состоит из вакуумных трубок, с нанесенным с внутренней стороны селективным покрытием в несколько слоев и отражающего слоя. Данное покрытие имеет самое важное значение в работе солнечных коллекторов. Эффективность селективной покрытия измеряется коэффициентом поглощения (α) солнечной энергии, относительной излучающей способностью (ε) длинноволновой тепловой радиации и отношением поглощательной способности к излучательной (α/ε). Основные виды селективные покрытия используемых для вакуумных коллекторов : Al-N-Al, Al-N/SS/CU

Солнечный вакуумный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, ослабляя зависимость от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии коллекторов достигает 98 %, но из-за потерь, связанных с отражением света стеклянными трубками и их неполной светопроницаемостью, он ниже.

КПД солнечных коллекторов в первом приближении может быть рассчитан по следующей формуле:

\eta={\eta}_{0}-\frac{k\cdot \Delta T}{E},

где \eta — расчётное значение КПД, {\eta}_{0} — номинальный (оптический) КПД установки при нормальных условиях, {k}_{1} — коэффициент, зависящий от типа и теплоизоляции коллектора, \Delta T — разность температур теплоносителя и окружающего воздуха(гр. С), E — инсоляция (Вт/кв.м.).

Данные для некоторых типов коллекторов приведены ниже.

Тип коллектора Номинальный КПД {\eta}_{0} Коэффициент {k}_{1}
Плоский солнечный коллектор 72-75 3-5
Вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками 60-65 0,7-1,1
Пластиковый солнечный коллектор 50-60 до 80

Солнечные коллекторы преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Инфракрасное излучение, которое проходит сквозь облака, также поглощается и преобразуется в тепло.

Резервуар-теплообменник представляет собой систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный отопитель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной энергии. Нагретая вода поступает из теплообменника внутреннего блока в радиаторы системы отопления, а вода из резервуара используется для горячего водоснабжения.

Подогреватель газовый или электрический должен ставиться не параллельно солнечному нагревателю (в этом случае он будет греть холодную воду), а обязательно последовательно, после солнечного нагревателя. Тогда его вклад в нагрев будет минимальным, поскольку он будет только догревать воду, уже нагретую солнцем.

Типы солнечных водонагревателей[править | править вики-текст]

Пассивный водонагреватель

Солнечные водонагреватели могут быть активного или пассивного типов. Активная система использует электрический насос для циркуляции жидкости через коллектор; пассивная система не имеет насоса и полагается только на естественную циркуляцию. Есть экспериментальные образцы, где перекачка теплоносителя производится стирлинг-насосом, получающим энергию от солнца.

Пассивные системы[править | править вики-текст]

Пассивные (Термосифонные) системы перемещают готовую воду или теплоноситель через систему за счёт естественной гравитации, возникающей при разности плотностей нагретого и охлажденного теплоносителя. Пассивные системы с конвекцией дешевле, чем активные системы, но и менее эффективны из-за медленной циркуляции в системе. Системы с тепловыми трубами более дорогие, чем конвективные, но имеют меньшие эксплуатационные затраты. Кроме того, системы с тепловыми трубами позволяют перекачивать тепло вниз, то есть против сил конвекции. Характеристики сильно зависят от конкретного типа труб.

Активные системы[править | править вики-текст]

Активные системы используют электрические насосы, клапаны и контроллеры для циркуляции теплоносителя через коллектор. Они обычно более дорогие, чем пассивные системы, но и более эффективны.

Активные системы с открытым контуром

Активные системы с открытым контуром используют насосы для циркуляции воды через коллекторы. Активные системы с открытым контуром являются популярными в регионах с положительными температурами или при сезонном использовании. Могут эксплуатироваться при температурах воздуха до −20 °C или −25 °C.

Активные системы с закрытым контуром

В этих системах теплоносителем коллектора является обычно водно-гликолиевый антифриз. Теплообменники передают высокую температуру от теплоносителя первого контура воде, которая запасена в баках (теплоаккумуляторах). Системы с закрытым контуром популярны в областях, подвергающихся продолжительно действующим отрицательными температурам, так как они имеют хорошую защиту от замораживания. В связи с высокими значениями температуры при застое теплоносителя в периоды максимальной облученности, не все антифризы пригодны для использования в солнечных системах.

С коллектором панельного типа[править | править вики-текст]

Устройство плоского коллектора.

Наибольшую популярность получили нагреватели с плоским коллектором, или панельные. В солнцеизбыточных регионах (Турция, Южные районы КНР, Саудовская Аравия и т. д.) в качестве абсорбера в таких коллекторах используется пластина из алюминия или стали. Значения КПД таких коллекторов невелико, что компенсируется высокими (избыточными) величинами солнечной облученности поверхности в этих регионах.

Для величин солнечной облученности (инсоляции) даже южных регионов России требуются коллекторы с пластиной из меди со специальным покрытием. Из-за высокой теплопроводности меди удельные значения теплопередачи энергии теплоносителю и общий КПД значительно выше.

С коллектором вакуумного типа[править | править вики-текст]

Вакуумные трубки

За счет использования тепловых трубок в конструкции вакуумных коллекторов достигается больший КПД при работе в условиях низких температур и слабой освещенности. В то же время использование дополнительного теплового контура приводит к неизбежным потерям, связанным с передачей тепла между средами, поэтому при температурах выше +15 градусов эффективность вакуумных коллекторов практически совпадает, а иногда и ниже чем у плоских коллекторов. За счет качественных многослойных высокоселективных покрытий и вакуумирования, современный солнечный коллектор способен улавливать солнечную энергию в очень широком спектре излучения(значительно шире видимого спектра).


Существует несколько основных типов вакуумных солнечных коллекторов:

  • 1. Колба в колбе.
  • 2. Колба в колбе с тепловой трубкой.
  • 3. Вакуумированная колба.

Колба в колбе[править | править вики-текст]

В коллекторах первого типа нагрев теплоносителя происходит при контакте с селективным покрытием стеклянной колбы. В качестве теплоносителя может выступать как вода, так и антифриз (или его смесь с водой). Такие системы работают при отсутствии избыточного давления со стороны теплоносителя, так как не могут быть эффективно гидроизолированы. Чаще всего это системы с пассивной циркуляцией теплоносителя.

Колба в колбе с тепловой трубкой[править | править вики-текст]

В коллекторах с использованием колб второго типа применяются медные тепловые трубки. Передача тепла с абсорбера к трубке осуществляется с помощью ребер. Тепловая трубка передает тепло в конденсатор тепловой трубки, который присоединен к коллектору, в котором происходит циркуляция теплоносителя.

Вакуумированная колба[править | править вики-текст]

Главным отличием колб третьего типа является вакуумная теплоизоляция медной тепловой трубки. Если в колбах первого и второго типа вакуумная прослойка находится между стеклянными стенками колб, то в вакуумированных колбах и абсорбер и тепловая трубка находятся при пониженном давлении воздуха. Кроме того, наличие лишь одного слоя стекла вместо двух увеличивает КПД установки.

По устройству теплопередачи между колбой и теплоносителям выделяют следующие основные виды коллекторов:

Пластиковые коллекторы[править | править вики-текст]

Наиболее простым решением для солнечного теплоснабжения являются пластиковые солнечные коллекторы. Изготавливаются путем штамповки из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). Такие коллекторы как правило не имеют дополнительной теплоизоляции и применяются для нагрева воды в летний период. Производительность пластиковых коллекторов достаточно сильно зависит от скорости ветра. Низкое гидравлическое сопротивление позволяет подключать контур коллекторов данного типа напрямую в систему циркуляции воды.

Установка[править | править вики-текст]

Солнечные водонагреватели можно встретить на крышах многих новых домов в китайской провинции Хубэй

Солнечные водонагреватели устанавливаются на крыше зданий под углом к горизонту, равным географической широте местности. Угол наклона при установке зависит от угла падения солнечных лучей, к которым поверхность должна быть перпиндикулярна. Оптимальный угол наклона зимой составляет 60°, летом – 30°. На практике советуется выбирать 45°. Вторым параметром является азимут, который не должен отклоняться от 0° (южное направление). Это не всегда возможно, поэтому допустимо отклонение от южного направления до 45°.[2]

Кроме того, группы нагревателей устанавливаются на открытых пространствах, например, над парковками для автомобилей, но как можно ближе к потребителю (зданию).

В связи с тем, что солнечный нагреватель невозможно выключить, в периоды максимального солнечного облучения и малого водоразбора температура (температура застоя или stagnation temperature) в нём может достигать, в зависимости от типа, 200 °C (плоские системы) и 300 °C (вакуумные).

Поэтому в качестве трубной обвязки водонагревателей нельзя использовать пластиковые (полимерные) трубы и стальные трубы с цинковым покрытием. Следует применять трубопроводы из меди или нержавеющей стали.

Также необходимо предусмотреть теплоизоляцию первого (горячего) контура трубной обвязки водонагревателей для предупреждения ожогов и возгораний, причем материал теплоизоляции и крепежа должен соответствовать указанным температурным режимам.

На корпусах коллекторов промышленного изготовления указывается точная температура застоя для данного модельного ряда.

Срок службы коллекторов — не менее 15 лет.

Есть попытки установки коллекторов на стенах домов, почти в вертикальном положении. В этом случае, особенно в высоких широтах, эффективность коллектора выше в зимние месяцы, а в летние — ниже. Есть и другой довод в пользу такой установки: коллектор удобнее обслуживать, на нём меньше собирается пыли, его легче мыть, меньше риск повреждения при граде. К тому же, такой коллектор располагается довольно низко относительно бака с нагреваемой водой, скорость конвекции существенно увеличивается и в активной системе нет надобности. Установка коллектора на стену уменьшает теплопотери дома (квартиры), что снижает потребность в энергии для отопления.

Применение[править | править вики-текст]

Солнечные водонагреватели применяются для домашнего и коммерческого горячего водоснабжения, обеспечения индустриальным теплом, нагрева воды для плавательных бассейнов и т. д.

Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30-90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

Экология[править | править вики-текст]

Эксплуатация бытового солнечного водонагревателя позволяет сократить выбросы CO2 пропорционально количеству сэкономленного топлива. Кроме того, в этом случае сокращается парниковый эффект от выбросов углекислого газа.

Распространение[править | править вики-текст]

Солнечные водонагреватели популярны на Мальте.
Современные израильские дома, оборудованные солнечными коллекторами.

Мировой лидер по производству и применению — Китай. В 2007 году Китае солнечными водонагревателями пользовались около 40 миллионов семей общей численностью в 150 миллионов человек. К 2009 году суммарные площади установленных солнечных водонагревателей выросли до 140 млн м². Этого достаточно для снабжения горячей водой примерно 60 млн домохозяйств[3]. К 2020 году 300 миллионов м² помещений в Китае будет оборудовано солнечными водонагревателями.

В 2010 году в Китае солнечные водонагреватели производили около 2800 компаний, из них 1200 компаний производили комплектующие. Общий объём рынка солнечных водонагревателей Китая составил в 2010 году 73,5 млрд юаней (примерно $11,5 млрд). Крупнейшие китайские производители: Sunrain Group, the Linuo Group, Himin Solar и Sangle Solar. Годовые продажи каждой компании из "Большой четвёрки" превышают 2 млрд юаней (примерно $313 млн)[4].

Также очень широко применяется водонагреватели в Израиле, где примерно 85 % квартир оснащены данным оборудованием. Это обусловлено законом, принятым в 1976 году и обязывающим строить жильё со встроенными солнечными водонагревателями. Исключение составляют высотные дома (более 9 этажей), где площадь крыши недостаточна для размещения солнечных коллекторов достаточных для всех потребителей здания. Такое широкое применение солнечных водонагревателей экономит около 8 % всей электроэнергии, производимой в стране.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • М. Згут. Ловушки для солнца // Наука и жизнь, издательство Правда. 1988 № 6, стр 87-88
  • Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990