XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Аннотация: В статье рассматривается история развития солнечных коллекторов и их классификация. Особое внимание уделяется анализу применения солнечных коллекторов для горячего водоснабжения коттеджа в различных климатических условиях Российской Федерации.

Ключевые слова: солнечный коллектор, энергосбережение, теплоснабжение коттеджа.

Abstract: In this article the history of the development of solar collectors and their classification exames. Particular attention to the analysis of the use of solar collectors for hot water cottage in the different climatic conditions of the Russian Federation is paid.

Key words: solar collector, energy saving, heat supply of the cottage.

Введение.

Энергия солнца является первопричиной для практически всех видов возобновляемых источников энергии, а непосредственно солнечное электромагнитное излучение может быть преобразовано в тепловую или электрическую энергию с помощью солнечных коллекторов и панелей соответственно. Солнечную панель и плоский солнечный коллектор несведущий в вопросе обыватель с виду может перепутать, хотя это совершенно разные устройства. Но если по солнечным панелям встречается достаточно много информации, ведь они могут быть уменьшены до поразительных размеров и стать, например, элементом питания для наручных часов или калькулятора, то с солнечными коллекторами все несколько сложнее. Они, как правило, представляют собой массивные конструкции, где подогревается вода для нужд отопления или горячего водоснабжения зданий.

История возникновения солнечных коллекторов.

Прежде чем перейти к устройству и принципу работы солнечных коллекторов необходимо проследить путь их исторического развития, тем более, что разработаны они были около двухсот лет назад. Самый известный из них - плоский коллектор из стекла, деревянной коробки и внутреннего нагревающегося слоя. Его изготовил в 1767 году швейцарский ученый по имени Гораций де Соссюр. Он тогда отметил, что конструкция "маленькая, дешевая и простая", позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах ХIX века. На практике подобные устройства начали использовать для нагрева воды ещё в конце 19 века в Южной Калифорнии. Различные фирмы производили простейшие солнечные коллекторы в виде черных баков для воды, установленных в деревянном ящике, одна из сторон которого была закрыта стеклом и обращена к солнцу. Одной из отрицательных сторон данной конструкции было то, что за ночь вода остывала, и приходилось ждать, пока она нагреется вновь с восходом Солнца.

В 1909 году Вильям Бейли из американской компании "Carnegie Steel Company" создал прототип современного плоского коллектора, который устанавливался отдельно от бака для воды, имел теплоизолированный корпус и передавал тепло через теплообменный контур, состоящий из медных труб. Этот коллектор весьма походил на современную термосифонную систему. К концу первой мировой войны Бейли продал 4 000 таких коллекторов, а бизнесмен из Флориды, купивший у него патент, к 1941 году продал почти 60 000 коллекторов.

Индустрия солнечных коллекторов процветала в южных штатах США - Калифорнии и Флориде до начала 1940-х годов. Во время второй мировой войны в США ввели закон на нормирование меди, что привело к резкому падению рынка солнечных коллекторов. А после снижения цены на нагрев воды с использованием электричества и газа в середине 1940-х годов, производство солнечных коллекторов и вовсе было прекращено.

В Израиле же сложилась следующая ситуация: в 1950-х годах ощущалась сильная нехватка энергоносителей. Дефицит энергии был таков, что законодательно был введен запрет на нагрев воды в вечернее и ночное время. В то же время в стране стало развиваться производство солнечных систем нагрева воды. И уже к 1967 году 20% жителей страны использовали солнечные коллекторы.

Конструктивные особенности солнечных коллекторов.

Солнечный коллектор – это техническое устройство, служащее для преобразования солнечной энергии в тепловую. По типу теплоносителя, солнечные коллекторы подразделяются на воздушные и жидкостные, в которых теплоносителем служит вода или иное жидкое вещество (антифриз, этиленгликоль и подобные). По конструкции, данные устройства, бывают плоские и вакуумные.

Для отопления жилого дома или иного объекта могут быть использованы все виды солнечных коллекторов, однако принцип их работы, вне зависимости от конструкции и вида теплоносителя, является единым. Принцип работы солнечного коллектора основан на способности материалов поглощать энергию солнца в видимом и невидимом, человеческому глазу, диапазонах, в связи с чем, внутри данного материала, начинаются физические процессы, молекулы начинают быстрее двигаться, материал (вещество) – нагревается. Тепло выделяемое материалами, на которые воздействуют солнечные лучи, передается теплоносителя для последующего использования.

Солнечные коллекторы делятся на несколько критерий:

По типу конструкции:

Плоские – представляют собой конструкцию в виде прямоугольника (коробки), выполняемую из прочного материала и служащую корпусом устройства. Во внутренне пространство корпуса укладывается изоляция, по поверхности которой монтируется абсорбирующая (поглощающая тепло) пластина. В специальные углубления абсорбера, укладываются трубки (как правили изготовленные из меди), в которые, в дальнейшем, подается теплоноситель. С наружной стороны корпус закрывается поглощающей оболочкой и защитным стеклом. 

Рис. 1. Устройство плоского коллектора

Вакуумные – в устройстве данного типа, определенное количество вакуумных трубок, объединены в общем корпусе коллектора. В корпусе устроен теплообменник, в котором теплоноситель, циркулирующий во внутреннем контуре вакуумных трубок, передает полученную энергию, теплоносителю наружного контура. 

Рис. 2. Устройство вакуумного коллектора

По типу теплоносителя: воздушные и водяные.

По способу использования теплоносителя:

Пассивные – солнечный коллектор используется в паре с баком накопителем, и служит для горячего водоснабжения, без устройства дополнительных инженерных элементов сети (циркуляционный насос, элементы защиты и т. д.).

Активные – система, кроме монтажа коллектора, комплектуется техническими устройствами (насос, защитные клапана, бак накопитель, дополнительные элементы нагрева теплоносителя), и может использоваться как для горячего водоснабжения, так и для отопления помещений.

По способу передачи тепла:

Косвенного действия, когда в системе отопления (горячего водоснабжения), присутствует бак-аккумулятор (накопитель), в котором происходит передачатепловой энергии, полученной, наружным контуром, от солнечных лучей, и передаваемой внутреннему контуру, циркулирующему в системах ГВС и отопления.

Прямого действия, прямоточные – данный способ используется в системах ГВС, при этом циркуляция воды, в контуре коллектора, осуществляется под воздействием разности температур и путем установки дополнительных элементов (кранов, клапанов и т. д.).
Особенности работы в зимний период.

В системах отопления, как правило, используются вакуумные коллекторы, это определяется их техническими характеристиками и условиями эксплуатации.

Рис. 3. Устройство вакуумной трубки коллектора

Основной элемент вакуумного солнечного коллектора – это вакуумная трубка (рис. 3), которая состоит из:

Изоляционной трубки, выполненной из стекла или иного материала, пропускающего солнечные лучи с минимальными потерями их мощности;

Медной, тепловой трубки, помещенной во внутреннее пространство изоляционной трубки;

Алюминиевой фольги и поглощающего слоя, расположенных между трубками;

Крышкой изоляционной трубки, являющейся уплотнительной прокладкой, обеспечивающей вакуум во внутреннем пространстве устройства. 

Работа системы осуществляется следующим образом:

1. Под воздействием солнечной энергии, теплоноситель контура трубки, испаряется и поднимается вверх, где в теплообменнике коллектора конденсируется, передает свое тепло теплоносителю наружного контура, после чего стекает вниз, и процесс повторяется.

2. Теплоноситель наружного контура, из теплообменника солнечного коллектора, подается на бак-аккумулятор, где происходит передача полученной тепловой энергии теплоносителю системы отопления и горячего водоснабжения.

3. Циркуляция теплоносителя наружного контура осуществляется путем установки циркуляционного насоса и систем автоматики, обеспечивающей работу системы в автоматическом режиме.

4. В комплекс системы автоматики входит контроллер, датчики и элементы управления, обеспечивающие установленные параметры работы стемы (температура, расход жидкости в системе ГВС и т. д.) 

Для того, чтобы данная система была эффективна и справлялась с выполнением поставленных задач, в том числе и в зимний период, системой предусматривается установка дублирующих источников энергии (рис.4). Это может быть дополнительная система нагрева, с использованием теплоносителя, как на приведенной схеме, когда теплоноситель дополнительного контура нагревается путем использования различных видов топлива (газ, биотопливо, электричество). Также, с подобную задачу можно выполнить путем установки электрических ТЭНов, непосредственно в бак-аккумулятор. Работу дублирующих источников энергии контролирует система автоматики, включая в работу данные устройства, по мере необходимости.

Рис. 4. Схема работы солнечного коллектора

Изучение эффективности работы коллекторов на практике в различных городах Российской Федерации.

Рис. 5. Города РФ для которых производился анализ.

Насколько выгодно использовать солнечные коллекторы каждый определяет для себя индивидуально, в зависимости от региона проживания, потребности в тепловой энергии и в зависимости от финансовых возможностей. Для чистоты эксперимента мы в качестве потребителей рассмотрели индивидуальный коттедж, в котором проживает семья из четырех человек, и произвели оценку их потребности в горячем водоснабжении. Предыдущие исследования показали, что использовать солнечные коллекторы в качестве источника энергии для отопительных систем экономически нецелесообразно.

Далее, мы условно перенесли данный коттедж в различные города Российской Федерации (всего было рассмотрено 20 городов), и произвели подбор вакуумного коллектора с термотрубками (наиболее современная версия, которая может работать даже при низких температурах) для летнего и зимнего периодов. Параметры вакуумной трубки коллектора: диаметр 58 мм, длина 1800 мм.

Проанализировав летний период (июль), мы приходим к выводу, что размещение солнечного коллектора для летнего сезона для покрытия нужд ГВС теоретически возможно в любом городе РФ и потребует установки максимум двух коллекторов, при условии, что один коллектор будет комплектоваться 30 вакуумными трубками (Рис. 6).

С другой стороны, нельзя не проанализировать зимний период (январь), поскольку достаточно часто именно это время года является камнем преткновения для использования на территории РФ возобновляемых источников энергии.

Рис. 6. Требуемое количество трубок коллектора для летнего периода (Июль)

Сразу стоит отметить, что из итоговой диаграммы по зимнему периоду был исключен Мурманск, поскольку потребность в трубках коллектора составила 12721, что ни при каких условиях не является целесообразным.

Рис. 7. Требуемое количество трубок коллектора для зимнего периода (Январь)

К сожалению ни в одном городе не получилось сохранить количество трубок, которые использовались летом и даже в таких климатически мягких в зимний период года городах как Астрахань и Краснодар, количество трубок составило 184 и 207 соответственно. Если рассматривать города с позиции уже собранных коллекторов по 30 трубок, то 7 коллекторов смогут компенсировать потребность в ГВС для таких городов, как Астрахань и Краснодар; 8 коллекторов - Белгород, Иркутск, Курск; в случае Ростова или Перми потребуется не менее 15 коллекторов.

Конечно, в данном случае встает вопрос о целесообразности применения именно самого дорого типа вакуумных коллекторов. В зимний период он показывает не самые впечатляющие результаты, но с другой стороны, например, в Астрахани, Краснодаре, Белгороде, Иркутске или Курске можно продумать вариант с его круглогодичным использованием, скомбинировав с дополнительным источником тепла, но значительно меньшей мощности.

Таким образом, в летний период года для нужд ГВС область применения солнечного коллектора в Российской Федерации достаточно обширна, но для использования его в зимний или переходный периоды требуется провести серьезное технико-экономическое обоснованию.

Литература

Альтернативная энергетика [Электронный ресурс] : [сайт]. – Режим доступа : http://www.vikertherm.ru/.

Баскаков, А. П. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : учеб. пособие : в 2 ч. / А. П. Баскаков. – Екатеринбург : УГТУ-УПИ , 2008. – 95 с. : ил.

Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения / Г. М. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2012. – 48 с. : ил.

Пособие по проектированию и расчету гелиосистем (Rucelf) [Электронный ресурс] : [сайт]. – Режим доступа : http://www.geo-comfort.ru/

Соколов, М.М. Использование возобновляемых и нетрадиционных источников энергии: учеб. пособие / М. М. Соколов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2015. – 116 с.

Код для цитирования: Скопировать