сонячний водонагрівач

1. Пасивні системи [ правити | правити код ]
2. Активні системи [ правити | правити код ]
3. З колектором панельного типу [ правити | правити код ]
4. З колектором вакуумного типу [ правити | правити код ]
5. Колба в колбі [ правити | правити код ]
6. Колба в колбі з тепловою трубкою [ правити | правити код ]
7. Колба в колбі з U трубкою [ правити | правити код ]
8. Вакуумована колба [ правити | правити код ]
9. Пластикові колектори [ правити | правити код ]

Сонячний водонагрівач - різновид сонячного колектора . Призначений для виробництва гарячої води шляхом поглинання сонячного випромінювання, перетворення його в тепло , Акумуляції та передачі споживачеві.

Перший сонячний водонагрівач був створений в 1767 році швейцарським ботаніком Орасіо Бенедиктом де Соссюром і за своєю потужністю він дозволяв приготувати суп .

Сучасний тип водонагрівачів був створений в +1953 році в Ізраїлі інженером Леві Іссар і вдосконалений доктором Цві Тавор в 1955 році, за що отримав через 3 роки премію в 1000 ізраїльських лір від прем'єр-міністра країни, Давида Бен-Гуріона [1] .

Сонячний водонагрівач з вакуумним колектором, найбільш ефективний, хоча і найдорожчий, складається з двох основних елементів:

• зовнішнього блоку - сонячних вакуумних колекторів;
• внутрішнього блоку - резервуара-теплообмінника.

Зовнішній блок складається з вакуумних трубок, з нанесеним з внутрішньої сторони селективним покриттям в кілька шарів і шару, що відображає. Дане покриття має найважливіше значення в роботі сонячних колекторів. Ефективність селективного покриття вимірюється коефіцієнтом поглинання (α) сонячної енергії, відносної випромінює здатністю (ε) довгохвильової теплової радіації і ставленням поглинальної здатності до випромінювальної (α / ε). Основні види селективних покриттів, що використовуються для вакуумних колекторів: Al-N-Al, Al-N / SS / CU

Сонячний вакуумний колектор забезпечує збір сонячного випромінювання в будь-яку погоду, послаблюючи залежність від зовнішньої температури. Коефіцієнт поглинання енергії колекторів досягає 98%, але через втрати, пов'язані з віддзеркаленням світла скляними трубками і їх неповної світлопроникністю, він нижчий.

ККД сонячних колекторів в першому наближенні може бути розрахований за такою формулою:

η = η 0 - k ⋅ Δ T E {\ displaystyle \ eta = {\ eta} _ {0} - {\ frac {k \ cdot \ Delta T} {E}}} ,

де η {\ displaystyle \ eta} - розрахункове значення ККД, η 0 {\ displaystyle {\ eta} _ {0}} - номінальний (оптичний) ККД установки при нормальних умовах, k 1 {\ displaystyle {k} _ {1}} - коефіцієнт, що залежить від типу і теплоізоляції колектора, Δ T {\ displaystyle \ Delta T} - різниця температур теплоносія і навколишнього повітря (гр. С), E - інсоляція (Вт / кв.м.).

Дані для деяких типів колекторів наведені нижче.

сонячні колектори перетворять прямі і розсіяні сонячні промені в тепло. Інфрачервоне випромінювання , Яке проходить крізь хмари , Також поглинається і перетвориться в тепло.

Резервуар-теплообмінник являє собою систему перетворення, підтримки і збереження тепла, отриманого від енергії сонця, а також і від інших джерел енергії (наприклад, традиційний обігрівач, що працює на електриці, газі або дизпаливі ), Які страхують систему при недостатній кількості сонячної енергії. нагріта вода надходить з теплообмінника внутрішнього блоку в радіатори системи опалення , а вода з резервуара використовується для гарячого водопостачання .

Підігрівач газовий або електричний повинен ставитися не паралельно сонячного нагрівача (в цьому випадку він буде гріти холодну воду), а обов'язково послідовно, після сонячного нагрівача. Тоді його внесок в нагрів буде мінімальним, оскільки він буде тільки догріває воду, вже нагріту сонцем.

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

Пасивні системи [ правити | правити код ]

Пасивні (Термосифонні) системи переміщують готову воду або теплоносій через систему за рахунок природної гравітації, що виникає при різниці щільності 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.

• Приклад системи з пасивної циркуляцією теплоносія (двоконтурна).

• Безнапірна система з пасивної циркуляцією теплоносія.

• Приклад системи з активною циркуляцією теплоносія (з системою підігріву від котла на традиційному паливі).

Активні системи [ правити | правити код ]

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 з 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 (теплоаккумулятором). Системи з закритим контуром популярні в областях, що піддаються тривало діючим негативними температур, так як вони мають гарний захист від заморожування. У зв'язку з високими значеннями температури при застої теплоносія в періоди максимальної опромінення не всі антифризи придатні для використання в сонячних системах.

З колектором панельного типу [ правити | правити код ]

Завдяки своїй надійності і довговічності найбільшу популярність отримали сонячні плоскі колектори. 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 колекторів з такою конструкцією невелика, що компенсується високими (надмірними) величинами сонячної опромінення поверхні в цих регіонах. У конструкції сучасних плоских сонячних колекторів використовуються антиблікове скло зі зниженим вмістом заліза, селективне покриття абсорбера з міді, збільшена товщина теплоізоляції (мінімум 50 мм).

Для величин сонячної опромінення (інсоляції) навіть південних регіонів Росії потрібні колектори з пластиною з міді зі спеціальним високоефективним селективним покриттям. Завдяки високій теплопровідності міді теплопередача енергії теплоносія і загальний ККД плоского мідного сонячного колектора значно вище.

З колектором вакуумного типу [ правити | правити код ]

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. Двотрубна конструкція вакуумного сонячного колектора позбавлена ​​даного недоліку. За рахунок якісних багатошарових високоселективних покриттів і вакуумування сучасний сонячний колектор здатний вловлювати 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. Колба в колбі з U подібною трубкою.
• 4. Вакуумована колба.

Колба в колбі [ правити | правити код ]

В колекторах першого типу нагрівання 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 надлишкового тиску з боку теплоносія, тому що не можуть бути ефективно гідроізольовані. Найчастіше це системи з пасивної циркуляцією теплоносія.

Колба в колбі з тепловою трубкою [ правити | правити код ]

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 колектору, в якому відбувається циркуляція теплоносія.

Колба в колбі з U трубкою [ правити | правити код ]

В колекторах з використанням колб третього типу застосовуються мідні теплові трубки у формі U. Передача тепла з абсорбера до трубки здійснюється за допомогою алюмінієвих ребер. За теплових трубках протікає безпосередньо теплоносій.

Вакуумована колба [ правити | правити код ]

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

• Колба в колбі з тепловою трубкою.

• Пристрій вакуумного колектора.

По пристрою теплопередачі між колбою і теплоносієм виділяють наступні основні види колекторів:

• Двотрубна система. Теплоносій циркулює всередині колби. U-подібна трубка.

• Однотрубна система. Конденсатор теплової трубки вставляється в трубу колектора.

• Двотрубна система. Конденсатор теплової трубки вставляється між трубками колектора.

Пластикові колектори [ правити | правити код ]

Найбільш простим рішенням для сонячного теплопостачання є пластикові сонячні колектори . Виготовляються шляхом штампування з поліетилену високої щільності ( ПЕВП ). Такі колектори, як правило, не мають додаткової теплоізоляції і застосовуються для нагріву води в літній період. Продуктивність пластикових колекторів досить сильно залежить від швидкості вітру. низьке гідравлічний опір дозволяє підключати контур колекторів даного типу безпосередньо в систему циркуляції води.

Сонячні водонагрівачі встановлюються на даху будівель під кутом до горизонту, рівним географічній широті місцевості. Кут нахилу при установці залежить від кута падіння сонячних променів, до яких поверхня повинна бути перпендикулярна. Оптимальний кут нахилу взимку складає 60 °, влітку - 30 °. На практиці радять вибирати 45 °. Другим параметром є азимут , Який не повинен відхилятися від 0 ° (південний напрямок). Це не завжди можливо, тому припустиме відхилення від південного напрямку до 45 °.

Крім того, групи нагрівачів встановлюються на відкритих просторах, наприклад, над парковками для автомобілів, але як можна ближче до споживача (будівлі).

У зв'язку з тим, що сонячний нагрівач неможливо вимкнути, в періоди максимального сонячного опромінення і малого водорозбору температура (температура застою або stagnation temperature) в ньому може досягати, в залежності від типу, 200 ° C (плоскі системи) і 300 ° C (вакуумні ).

Тому в якості трубної обв'язки водонагрівачів не можна використовувати пластикові (Полімерні) труби і сталеві труби з цинковим покриттям. Слід застосовувати трубопроводи з міді або нержавіючої сталі.

Також необхідно передбачити теплоізоляцію першого (гарячого) контуру трубної обв'язки водонагрівачів для попередження опіків і загорянь, причому матеріал теплоізоляції і кріплення повинен відповідати зазначеним температурним режимам.

На корпусах колекторів промислового виготовлення вказується точна температура застою для даного модельного ряду.

Термін служби колекторів - не менше 15 років.

Є спроби установки колекторів на стінах будинків, майже у вертикальному положенні. В цьому випадку, особливо в високих широтах, ефективність колектора вище в зимові місяці, а в літні - нижче. Є й інший аргумент на користь такої установки: колектор зручніше обслуговувати, на ньому менше збирається пилу, його легше мити, менше ризик пошкодження при граді. До того ж такий колектор розташовується досить низько щодо бака з водою, що нагрівається, швидкість конвекції істотно збільшується і в активній системі немає потреби. Установка колектора на стіну зменшує тепловтрати будинку (квартири), що знижує потребу в енергії для опалення.

Сонячні водонагрівачі застосовуються для домашнього та комерційного гарячого водопостачання, забезпечення індустріальним теплом, нагріву води для плавальних басейнів і т. Д.

Найбільша кількість виробничих процесів, в яких використовується тепла і гаряча вода (30-90 ° C), проходять в харчовій і текстильній промисловості, які таким чином мають найвищий потенціал для використання сонячних колекторів.

Експлуатація побутового сонячного водонагрівача дозволяє скоротити викиди CO2 пропорційно кількості зекономленого палива. Крім того, в цьому випадку скорочується парниковий ефект від викидів вуглекислого газу.

Світовий лідер з виробництва та застосування - Китай . В 2007 році в Китаї сонячними водонагрівачами користувалися близько 40 мільйонів сімей загальною чисельністю в 150 мільйонів чоловік. До 2009 року сумарні площі встановлених сонячних водонагрівачів виросли до 140 млн м². Цього достатньо для постачання гарячою водою приблизно 60 млн домогосподарств [2] . До 2020 році 300 мільйонів м² приміщень в Китаї буде обладнано сонячними водонагрівачами.

У 2010 році в Китаї сонячні водонагрівачі виробляли близько 2800 компаній, з них 1200 підприємств виробляли комплектуючі. Загальний обсяг ринку сонячних водонагрівачів Китаю склав у 2010 році 73,5 млрд юанів (приблизно $ 11,5 млрд). Найбільші китайські виробники: Sunrain Group, the Linuo Group, Himin Solar і Sangle Solar. Річні продажі кожної компанії з «Великої четвірки» перевищують 2 млрд юанів (приблизно $ 313 млн) [3] .

Також дуже широко застосовується водонагрівачі в Ізраїлі , Де приблизно 85% квартир оснащені даними обладнанням [ Джерело не вказано 1418 днів ]. Це обумовлено законом, прийнятим в 1976 році [ Джерело не вказано 1418 днів ] І зобов'язуючим будувати житло з вбудованими сонячними водонагрівачами. Виняток становлять [ Джерело не вказано 1418 днів ] Висотні будинки (більше 9 поверхів), де площа даху недостатня для розміщення сонячних колекторів, достатніх для всіх споживачів будинку. Таке широке застосування сонячних водонагрівачів економить близько 8% всієї електроенергії , Виробленої в країні.

• М. Згут. Пастки для сонця // Наука і життя, видавництво Правда. 1988 № 6, стор 87-88
• Г. В. Казаков Принципи вдосконалення геліоархітектури. Світ, 1990.