Солнечный водонагреватель


Солнечный водонагреватель

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

Содержание

История

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

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 радиации. 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 95 % квартир оснащены данным оборудованием. Это обусловлено законом, принятым в 1976 году и обязывающим строить жильё со встроенными солнечными водонагревателями. Исключение составляют некоторые высотные дома (более 24 этажей), где площадь крыши недостаточна для размещения солнечных коллекторов достаточных для всех потребителей здания. Такое широкое применение солнечных водонагревателей экономит около 4 % всей электроэнергии, производимой в стране.

См. также

Примечания

  1. http://my.ynet.co.il/pic/yarok/020908/index.htm Письмо с благодарностью от Бен-Гуриона (иврит)
  2. Солнечное излучение и его использование при помощи коллекторов. Завод Электрической Аппаратуры ERGOM. Архивировано из первоисточника 20 ноября 2012. Проверено 2 ноября 2012.
  3. Eric Martinot, Junfeng Renewable Energy Policy Update For China 21 Июль 2010 г.
  4. Bärbel Epp Solar Thermal Competition Heats Up in China 10 Сентябрь 2012 г

Литература

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



Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Солнечный водонагреватель" в других словарях:

  • солнечный водонагреватель — гелиоустановка, использующая солнечную энергию для нагрева воды. Состоит из термоизолированной ёмкости, сверху закрытой стеклом, внутри которой расположен обычно зачернённый трубчатый змеевик с водой. При установке на открытом месте (как правило …   Энциклопедия техники

  • СОЛНЕЧНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ — гелиоустановка (обычно типа горячего ящика ) для нагрева воды до 50 60,°С (для душевых, прачечных и т. п.). Облучаемая поверхность С. в. ориентируется на юг и устанавливается под углом 25 35° к горизонту. Котёл, в к ром нагревается вода, может… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • Солнечный водонагреватель —         Гелиоустановка, предназначенная для нагрева воды (до 50 60 °С) в банях, прачечных и т.п. Чаще всего С. в. строят по схеме без концентрации солнечной энергии. Такой С. в. состоит из термоизолированного и застеклённого сверху ящика (см.… …   Большая советская энциклопедия

  • Солнечный коллектор — Солнечный коллектор  устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видим …   Википедия

  • Водонагреватель — Эта статья  о приборах систем ГВС. О нагревателях воды для систем отопления см. Водогрейный котёл. Газовый бойлер Водонагреватель  уст …   Википедия

  • водонагреватель — я; м. Устройство для нагревания воды. Солнечный, газовый, электрический в. ◁ Водонагревательный, ая, ое. В. котёл. В. змеевик. * * * водонагреватель то же, что водоподогреватель. * * * ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ, то же, что водоподогреватель …   Энциклопедический словарь

  • солнечный — ая, ое; чен, чна, чно. 1. только полн. к Солнце (1 зн.). С ая энергия. С. спектр. С ые лучи. С ое тепло. С ое затмение. С ые пятна (тёмные образования на поверхности Солнца). С ая корона (светлый ореол вокруг Солнца, видимый во время затмения… …   Энциклопедический словарь

  • водонагреватель — я; м. см. тж. водонагревательный Устройство для нагревания воды. Солнечный, газовый, электрический водонагрева/тель …   Словарь многих выражений

  • солнечный — ая, ое; чен, чна, чно. см. тж. солнечность 1) только полн. к солнце 1) С ая энергия. Со/лнечный спектр. С ые лучи. С ое тепло …   Словарь многих выражений

  • Коллектор — (Collector) Определение коллектора, виды коллекторов, примененеие Информация об определении коллектора, виды коллекторов, примененеие Содержание Содержание Определение В технике Финансовое Прочее канализационный Коллектор (электротехника)… …   Энциклопедия инвестора


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.