Конструкции солнечных коллекторов: Солнечный коллектор: открытый, вакуумный, плоский. Принцип работы

Виды солнечных коллекторов: полная справка от производителя

Существуют различные виды солнечных коллекторов, однако все они рассчитаны на собирание энергии тепла лучей солнца, которая поступает вместе с видимой и прилежащей инфракрасной зонами спектра. Они осуществляют нагрев теплоносителя, используются для обогрева, снабжения горячей водой и проветривания построек разного назначения.

Содержание:

1. Коллекторы плоского типа
2. Коллекторы вакуумного типа
3. Вакуумный коллектор с прямой передачей тепла жидкости
4. Вакуумный коллектор с прямой передачей тепла жидкости и встроенным теплообменником
5. Вакуумные коллекторы с теплотрубками
6. Солнечные коллекторы с концентраторами
7. Воздушные коллекторы

Коллекторы плоского типа

Структура солнечных коллекторов плоского типа включает:

• Абсорбер – элемент, отвечающий за вбирание солнечного света и объединенный с теплопроводящей конструкцией. Это наиболее высокотехнологичная часть системы. Для увеличения результативности на него наносят селективное никелевое покрытие, напыление окиси титана либо окрашивают в черный цвет.
• Термоизолирующее покрытие используют для обработки изнаночной стороны гелиопанели. Чаще всего его изготавливают из полиизоцианурата, жесткого полимерного термореактивного материала с закрытыми ячейками.
• Прозрачный слой выполняется из листов поликарбоната с рифлением или закаленного стекла с небольшим количеством железа.
• Трубки для теплоносителя из полимера этилена с поперечно сшитыми молекулами (сшитого полиэтилена) или меди.

Основной принцип работы коллекторов плоского типа заключается в эксплуатации парникового эффекта. Стекло пропускает лучи солнца вовнутрь конструкции и позволяет накопить солнечную энергию, а затем передать ее теплоносителю (воде или незамерзающему раствору) при помощи других деталей (обычно алюминиевых или медных). Гелиопанели этого типа обрабатывают также силиконовым герметиком, достигая полной воздухонепроницаемости.

Эффективность нагрева теплоносителя зависит от количества поступающих на коллектор солнечных лучей. Чем больший объем энергии передается теплоносителю, тем выше результативность работы агрегата. Ее также можно увеличить, применяя специализированные оптические покрытия, не позволяющие уходить теплу.

Эффективность функционирования гелиопанели характеризуется выработкой нагретой жидкости на 1 кв. м площади поверхности устройства. Плоские разновидности могут нагревать теплоноситель до 200ºC.

Коллекторы вакуумного типа

В коллекторе этого типа поглощающий солнечные лучи элемент разделен с окружающей средой объемом, где создан вакуум. Благодаря этому теплопотери оказываются устранены практически полностью. Использование селективного покрытия, в свою очередь, намного снижает энергопотери на излучение.

На фото солнечного коллектора вакуумного типа видно, что используемые теплонакопители представляют собой трубочки, укомплектованные по принципу термоса. Детали вставляются друг в друга, а в зазоре между ними создается вакуум. Узкоцилиндрическая форма устройств обуславливает падение лучей под углом 90º к оси, что увеличивает количество получаемой с единицы площади энергии даже в вечернее и утреннее время суток.

Трубчатые системы способны эффективно собирать энергию рассеянного солнечного излучения, фактически в этом случае они работают как плоские модели, обустроенные возможностью поворота вслед за солнцем. Применение отражателей также может значительно увеличить рабочее пространство коллектора вакуумного типа.

Практически полное отсутствие пустого расхода энергии в функционировании вакуумного коллектора делает его незаменимым для использования в морозы, а приоритет перед плоскими гелиопанелями он получает уже при температуре ниже 15ºC.

Вакуумный коллектор с прямой передачей тепла жидкости

Конструкции из трубочек в вакуумном коллекторе с непосредственной теплопередачей жидкости располагаются под конкретным углом. Они подсоединяются к баку-накопителю, вода из которого течет непосредственно в трубки, где прогревается и затем возвращается. Отсутствие иных элементов служит важным достоинством агрегата. Коллекторы этой разновидности могут работать также и без бака-накопителя.

Вакуумный коллектор с прямой передачей тепла жидкости и встроенным теплообменником

Коллекторы этой разновидности устроены, в целом, так же, как и приборы с непосредственной передачей тепла жидкости, однако имеют эффективный теплообменник, подсоединенный изнутри бака. Такой аппарат допустимо встраивать в напорную систему снабжения водой.

Для использования оборудования при пониженной температуре (до -10ºC) в контур нагрева воды заливают незамерзающий раствор. Отложений внутри коллектора не формируется, поскольку вода течет исключительно внутри медного теплообменника, а мера ее неизменна.

Вакуумные коллекторы с теплотрубками

Для производства дорогих моделей вакуумных коллекторов используют медные термические трубки, запечатанные и заполненные легкокипящим раствором. Механизм их работы состоит в том, что нагретая жидкость при улетучивании забирает энергию и уносит ее к теплоносителю, конденсируясь вверху. Конденсат затем стекает обратно, и процедура повторяется.

Перенос тепла осуществляется посредством «гильзы» приемника, изготовляемой из меди. Отопительный контур коллектора физически разделен с трубами, поэтому порча одной или нескольких деталей не лишает его работоспособности. Замена элементов не требует полного удаления незамерзающего раствора из контура теплообменника.

Коллектор с применением термотрубок достаточно производителен при морозах до -35ºC (для стеклянных моделей с тепловыми трубками) или -50ºC (изделия с тепловыми трубками из металла).

Солнечные коллекторы с концентраторами

Обустройство солнечных коллекторов концентраторами производится посредством параболоцилиндрических отражателей, которые прокладываются непосредственно под деталями, поглощающими излучение солнца. Процедура позволяет достичь роста эксплуатационных показателей температуры теплоносителя до 120-250ºC и более (если параллельно используются приборы слежения за источником света).

Воздушные коллекторы

Основной характеристикой воздушных солнечных коллекторов служит их способность прогревать воздушную массу. Обычно эти устройства относятся к типу простых плоских гелиопанелей. Теплообменник для их работы не нужен, поскольку воздух не промерзает.

Воздух поступает через поглотитель принудительно или естественным путем. Он проводит тепло не так хорошо, как теплоносители жидкого типа, поэтому применение вентиляторов для улучшения теплопередачи и усиления формирования завихрений в атмосферной массе увеличивает эффективность работы устройства.

Воздушные солнечные коллекторы имеют несложную структуру и высокую отказоустойчивость, их работой легко управлять. При соблюдении правил эксплуатации они могут исправно функционировать более 15-20 лет, не нуждаясь в ремонте и техническом обслуживании.

Виды солнечных коллекторов для прогрева воздуха могут интегрироваться в крыши или стены строений. Они нередко служат основной или дополнительной системой отопления и вентиляции зданий, где доступ к иным источникам энергии затруднен или невозможен.

Солнечное отопление: экологично и экономно

Солнечное отопление является экологически чистым и выгодным средством поддержания тепла. Основные траты приходятся на покупку и установку соответствующего оборудования. Конструкции не нуждаются в периодическом контроле и техническом обслуживании.

К минусам использования солнечного отопления в российских условиях можно отнести то, что на данный момент в большинстве регионов оно не способно полностью удовлетворить потребность в обогреве помещений на протяжении круглого года. Поэтому приходится использовать системы, комбинирующие солнечные коллекторы с другими источниками тепла. Но даже в этом случае затраты на отопление в холодное время года снижаются до 30-50%. Переключение с солнечного отопления на другие источники тепла в большинстве систем происходит в автоматическом режиме. Правда в некоторых случаях бывает достаточно обойтись увеличением площади поверхности коллектора и установкой дополнительных теплообменников.

На данный момент в мире больше всего используются солнечные коллекторы в Китае – на эту страну приходится больше половины всех смонтированных установок. По состоянию на 2011 год Европа занимала второе место с 14%.

В России ситуация с солнечными коллекторами (как с ВИЭ и энергоэффективностью в целом) значительно хуже, не смотря на то, что даже в условиях Салехарда, расположенного на полярном круге, в летнее время солнечные тепловые установки могут удовлетворить потребность в теплой воде на протяжении более 60% времени. Наибольшим же потенциалом в использовании солнечных коллекторов обладают Приморье, юг Сибири и Забайкалье, как регионы  с наибольшим среднегодовым поступлением солнечного излучения. За ними идут значительная часть Сибири и юг европейской части РФ.

Общая площадь солнечных коллекторов в РФ по состоянию на 2013 год оценивается всего в 30 тыс. кв. м.  Для сравнения, в Китае за тот же период – более 2 млн кв. м или чуть больше четверти всей площади.

Виды солнечных коллекторов

Под солнечным коллектором понимают специальное устройство, которое собирает тепловую энергию Солнца. Коллектор не производит электричество как фотоэлектрические батареи, а лишь нагревает теплоноситель.

В основном используют два типа коллекторов.

Плоский солнечный коллектор состоит из корпуса и поглощающего инфракрасное излучение элемента в виде пластины, на которую нанесено селективное покрытие. Корпус теплоизолирован с боковых и тыльной сторон. Обращенная к Солнцу часть коллектора прозрачна, что обеспечивает проникновение солнечного излучения внутрь него. Чем больше размер пластины и, следовательно, ее площадь, тем выше мощность всего устройства. Поглощаемая пластиной энергия затем передается на теплоноситель.

Вакуумный солнечный коллектор представляет собой более совершенную конструкцию. В основе его работы лежит применение вакуумных трубок, устройство каждой из которых можно сравнить с устройством колбы термоса. Это стеклянная трубка с двумя стенками, между которыми находится вакуум. Внешняя стенка прозрачна. На наружную поверхность внутренней стенки нанесен особый селективный слой, который способен улавливать солнечное излучение. Вакуумная прослойка способствует сохранению около 90% всей полученной энергии. Проводниками тепла в устройстве служат тепловые трубки с залитой внутрь специальной легкокипящей жидкостью. Под воздействием солнечной энергии этот состав быстро вскипает и испаряется. Пар поднимается в верхнюю область трубки и отдает тепло теплоносителю. При этом происходит конденсация газа, он переходит в жидкую фазу и стекает внутрь трубки. Процесс повторяется.

У каждого типа коллекторов есть свои преимущества.

Так, более простые плоские коллекторы способны самоочищаться от снега, могут быть установлены под любым углом наклона, стоят дешевле, чем вакуумные, обладают высокой производительностью в летнее время.

Вакуумные коллекторы способны запасать тепло на больший срок и с меньшими потерями, позволяют генерировать более высокие температуры и лучше работают в условиях низких температур и слабой освещенности.

Пасмурная погода, дождь и облачность не станут преградой для системы теплоснабжения с солнечным коллектором, хотя и понизят ее эффективность. На этот случай во многие коллекторы встроены интеллектуальные контроллеры, позволяющие подключать к работе другие энергетические источники.

Солнечные коллекторы окупаются в течение нескольких лет. Конкретный срок зависит от начальных затрат на покупку и установку, стоимости энергии в данном регионе, интенсивности использования оборудования.

Применяются коллекторы обычно для отопления и снабжения горячей водой домов, дач, гостиниц, баз отдыха. Подходят они и для производственных помещений небольших размеров, а также для теплиц и оранжерей. Наибольший потенциал для их использования имеют текстильная и пищевая промышленность как отрасли, в которых в наибольшем количестве производственных процессов используется теплая и горячая вода.

Схема солнечного коллектора: общие принципы и особенности

Развитие альтернативной энергетики дает шанс каждому не только значительно снизить свои расходы, но и стать независимым от сбоев или плановых отключений в системах отопления и подачи горячей воды. Наиболее популярный альтернативный источник – энергия Солнца, которая не только бесплатна, но и доступна в любой точке земного шара в неиссякаемом количестве.

Основные устройства, которые преобразовывают солнечную энергию в тепловую и обеспечивают пользователей необходимыми благами (теплом и горячей водой) – солнечные коллекторы. Схема подключения солнечного коллектора зависит от множества факторов: расположения здания,  мощности самого устройства, угла наклона трубок, уровня инсоляции, решаемой задачи и множества других значений, которые обязательно следует учитывать для эффективной работ целой системы.

Схема подключения солнечного коллектора в теплое время года.

Простейшая схема подключения коллектора включает в себя следующие компоненты:

—                   непосредственно коллектор;

—                   контур теплообмена;

—                   тепловой аккумулятор (бак, в котором находится нагретая вода).

Плоский солнечный коллектор имеет наиболее простую конструкцию и отлично подходит для использования в жарком климате с большим количеством солнечных дней и соответствующим уровнем инсоляции. Он состоит из слоя абсорбера, покрытого стеклом, который преобразовывает и передает уже тепловую энергию теплоносителю (последний циркулирует в трубках – тепловом контуре).

В регионах с холодным климатом более эффективно использование вакуумного коллектора, особенностью конструкции которого является использование для нагрева вакуумных трубок. Стеклянные трубки, благодаря своей цилиндрической форме, способны улавливать солнечные лучи более длительный промежуток времени (лучше использовать солнечный день), а используемое в их конструкции селективное покрытие улавливает даже рассеянное солнечное излучение. Благодаря этому они имеют большую эффективность в работе при установке в большинстве регионов нашей огромной страны.

В летнее время года, когда значения солнечной инсоляции достигают своего пика, работа солнечного коллектора дает ощутимый результат вне зависимости от того, какой солнечный коллектор используется – плоский или вакуумный.

В это время года в качестве теплоносителя можно смело использовать воду (это также относится к регионам с «мягкой» зимой), которая нагревается полученной от абсорбера энергией и подымается по трубам вверх, поступая в бак-аккумулятор. Бак подключен к кранам вывода воды, поэтому при открытии вентиля горячая вода из бака выходит и замещается холодной. Вода более низкой температуры скапливается в нижней части бака и выходит в контур системы через соответствующую трубу. Она вновь нагревается от полученной энергии и поступает в бак. В самом накопителе труба забора, через которую происходит подача горячей воды для пользования, должна быть расположена у верхней части бака (из-за меньшей плотности теплая вода подымается вверх).

Такой водный бак-аккумулятор можно располагать как на улице, так и в помещении. Наиболее распространенный и простой вариант в первом случае – водяной душ. Окрашенный в черную краску бак самостоятельно притягивает тепло и еще больше нагревает воду. Чтобы избежать теплопотерь в ночное время, бак необходимо теплоизолировать.

Такая простейшая схема подключения солнечного коллектора обеспечивает лишь естественную (и не всегда достаточную) циркуляцию теплоносителя. Увеличить продуктивность работы системы можно с помощью циркуляционного насоса.

Повышаем эффективность работы солнечного коллектора в холодную пору.

Использование простой системы для отопления и горячего водоснабжения в зимнее время возможно, если в качестве теплоносителя применяется антифриз, а бак-накопитель дополнен вспомогательным обогревательным элементом (например, ТЭНом). При использовании антифриза изменяется конструкция бака – в него монтируется змеевик (чаще всего медный), благодаря которому происходит циркуляции теплоносителя в баке. Хорошая проводимость металла позволяет отдавать тепло антифриза воде в баке.

В конструкцию рекомендуется включить циркуляционный насос и расширительный бак. Иногда для разделения воды, которая используется для отопления (техническая) и личного использования (питьевая) в бак монтируют внутренний резервуар. Он располагается в верхней части бака (где собирается горячая вода) и подключен к системе водоснабжения (с помощью вентиля забирается горячая вода, а резервуар заполняется холодной жидкостью). При этом система отопления подключена к основному баку.

В зависимости от внешней температуры, площади коллектора, географической точки, времени года, типа коллектора, и множества других факторов колеблется и эффективность работы системы (т.е. стабильность вырабатываемого уровня энергии). 

Кроме более привычных пользователям устройств, существует и воздушный солнечный коллектор, схема работы которого предполагает, что теплоносителем в системе является воздух, который нагревается от абсорбера и подается в отапливаемое помещение с помощью вентилятора.

Собираем солнечный коллектор своими руками.

Солнечный коллектор, его устройство, схемы и конструкции уникальны в каждом конкретном случае. Подобрать комплектующие, собрать и подключить механизм в систему так, чтобы она работала максимально продуктивно и безопасно, могут профессионалы. Впрочем, собрать элементарный солнечный коллектор или батарею легко и своими руками.

В качестве коллектора можно использовать радиатор из трубок длиной около 16-18 см и толщиной стенок около 1,5 мм. Решетка из таких стеклянных труб соединяется с трубами вывода и подвода (на ¾ и 1 дюйм соответственно). Такой радиатор устанавливается в короб из досок или металлических брусьев для более крепкой конструкции. В качестве дна – фанера или оргалит, сверху которых необходимо уложить теплоизоляцию. В короб устанавливают радиатор, закрепляют его хомутами и закрывают конструкцию крышкой из толстого стекла. Чтобы конструкция притягивала больше солнечной энергии, трубки радиатора, дно и внутренние поверхности короба окрашивают черной матовой краской, а стены снаружи – «серебрянкой». Любые соединения между элементами конструкции необходимо герметизировать (чаще всего используют пеньку, сверху которой наносят краску).

Как в случае с фабричными коллекторами, схема солнечного коллектора своими руками предполагает наличие бака для воды. В домашних условиях накопителя объемом до 300 л оказывается достаточно для того, чтобы нагретой до нужного уровня воды хватало домохозяйству. Бак необходимо теплоизолировать (например, поместив в короб и заполнив оставшееся пространство пенопластом, опилками и другими подручными материалами).

Чтобы поддерживать давление в системе, устанавливают аванкамеру – емкость объемом 30-40 л монтируют на 0,8-1 м выше уровня воды в баке. Аванкамера нужна для контроля подачи воды (жидкость прекращает поступать, когда начинает выливаться из трубы вывода аванкамеры и, наоборот, когда уровень воды в аванкамере падает, начинается процесс подачи воды из радиатора).

Все элементы системы соединяются в тепловой контур трубами на ½ и 1 дюйм. Первые используются для монтажа элементов от крана до аванкамеры и вывода нагретой воды из бака-накопителя, а «дюймовые» – для компонентов под низким давлением. Во избежание теплопотерь в трубах, их также необходимо окрасить «серебрянкой».

Но лучше «не заниматься ерундой» и приобрести готовый, заводской солнечный коллектор, гарантированно обеспечивающий Вас теплом и горячей водой.

Схема подключения и работы солнечного коллектора достаточно простая и безопасная. В зависимости от множества факторов, меняется и наличие компонентов. Чтобы коллектор работал эффективно, обеспечивая нужное количество тепла и горячей воды даже в холодное время года, необходимо не только правильно рассчитать и подобрать все компоненты, но и грамотно произвести их монтаж!

 

 

Солнечный коллектор сокол конструкция, применение, технология изготовления

Назначение, область применения, конструкция, материалы и технология производства солнечного коллектора Сокол.

Солнечный коллектор  «Сокол».

Назначение, область применения коллектора.

Развитие производства в России и современные технологии позволили создать отечественные образцы солнечных коллекторов, не уступающих по своим характеристикам зарубежным аналогам.

Предлагаем отличный продукт на основе космических технологий — солнечный коллектор  «Сокол».

Солнечный коллектор  «Сокол» разработан и производится с 1990 года на российском оборонном предприятии Опытный Завод Машиностроения АО «ВПК «НПО машиностроения». В конструкции солнечного коллектора  «Сокол», используются современные утеплители и средства герметизации, которые постоянно модифицируется и улучшается.

Фото 1.  Опытный Завод Машиностроения АО «ВПК «НПО машиностроения». 

Плоский солнечный коллектор «Сокол» представляет собой специальный теплообменник, преобразующий энергию солнечного излучения в тепловую энергию и передающий ее теплоносителю – жидкости, движущейся внутри каналов поглощающей панели (абсорбера) коллектора.

Солнечные коллекторы являются основным элементом систем солнечного теплоснабжения или бытовых солнечных водонагревателей и в их составе используются для обеспечения горячей водой жилых зданий, промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектов.

Солнечный коллектор «Сокол» можно использовать для нагрева не только воды, но и других жидких теплоносителей, совместимых с материалом его поглощающей панели и применяемых в системах отопления, кондиционирования, хладоснабжения и промышленных технологических процессах.

Солнечный коллектор «Сокол-А» разработан с применением современных материалов и технологий. По своим характеристикам он соответствует уровню лучших зарубежных аналогов.

Фото 2 Солнечные коллекторы   «Сокол» на испытании в институте солнечной технике SPF Solartechnik в Швейцарии

Поглощающая панель коллектора «Сокол» выполнена из расположенных параллельно в одной плоскости десяти алюминиевых профилей в виде труб с плоскими рёбрами. Облучаемая солнечным излучением поверхность ребер имеет специальное оптическое селективное покрытие, которое снижает тепловые потери коллектора и увеличивает его теплопроизводительность на 20-25%.

Солнечный коллектор «Сокол-А» соответствует требованиям ГОСТ Р 51595-2000 «Коллекторы солнечные. Общие технические условия» и основным требованиям стандартов большинства зарубежных стран.

Конструкция коллектора. Материалы и технологии.

Панель поглощающая (абсорбер) 

Основной элемент коллектора. Панель листотрубная выполнена из 10 отдельных труб с плоскими ребрами

Изоляция прозрачная.

В коллекторе используется однослойное прозрачное покрытие из закаленного стекла толщиной 4 мм. Для уплотнения стекла применяется П-образный профиль из атмосферостойкой EPDM резины.

Тепловая изоляция

Нижняя теплоизоляция представляет собой мат Rockwool из базальтового волокна толщиной 50 мм. покрытый со стороны поглощающей панели алюминиевой фольгой. 

 Корпус коллектора

Для этого коллектора специально разработаны два типа алюминиевых профилей (стенка и прижим стекла), которые покрываются стойкой и долговечной порошковой эмалью. В нижней части стенки корпуса имеется встроенное крепление для установки коллектора на монтажные опоры. Головки болтов М10 с размером «под ключ» 17 мм. вставляются в паз на боковой поверхности стенки и могут фиксироваться в любой точке периметра коллектора. Стекло устанавливается в корпус сверху на полки профиля и уплотняется прижимами без применения винтов. Замена поврежденного остекления при эксплуатации производится без демонтажа коллектора.

 

Купить солнечный коллектор «Сокол-Эффект-А» 

Купить солнечный коллектор «Сокол-Эффект-М» 

Остались вопросы? Напишите нам [email protected]

Ориентация солнечных коллекторов в пространстве, сравнение эффективности конструкций

Содержание страницы

1. Ориентация и угол наклона плоских солнечных коллекторов

Источником энергии работы солнечных тепловых коллекторов является Солнце. Если рассматривать плоские стационарные СК любого типа, то они жестко закреплены либо на склонах крыш, либо на плоской крыше, либо на поверхности земли. Солнце светит на поверхность земли под углом, зависящим от времени суток и времени года. Диапазоны изменения этих углов очень значительные и зависят от широты и долготы места размещения объекта. Для Москвы, минимальная продолжительность светового дня 7 часов, а максимальная – 17 часов 30 минут. С учетом того, что за час Солнце перемещается по горизонту на 15 градусов, суммарное угловое перемещение летом может достигать 265 градусов, в то время, как зимой, 105 градусов. По склонению над горизонтом, Солнце также изменяет свое положение в большом диапазоне от 11 до 57 градусов. В других точках расположения объектов, углы изменения направления солнечного света, другие.

Во второй главе мы рассматривали значения максимального КПД солнечного коллектора, при этом, предполагалось, что лучи Солнца падают на поверхность коллектора перпендикулярно. В реальности, соблюсти это требование невозможно. Даже, если вы выставили направление коллектора строго на юг для точки размещение объекта в момент летнего солнцестояния, то, через несколько дней, максимальные значения будут недостижимы, поскольку угол падения лучей по горизонту изменится за этот период на несколько градусов.

Под оптимальной ориентацией стационарно размещенного солнечного коллектора понимают положение, максимально близкое к положению Солнца в момент астрономического времени 12 часов. Напоминаем, что в каждом месте существует разница директивного и астрономического времени и для Москвы, к примеру, эта разница составляет около 34 минут.

Если вы используете солнечные коллекторы только в летнее время, то рекомендуется устанавливать угол наклона коллекторов градусов на 5 меньше значения угла широты места расположения объекта. Москва расположена на 56 градусе северной широты. Следовательно, оптимальное расположение угла наклона коллектора будет около 50 градусов. Но если вы используете коллекторы круглый год, то угол наклона коллектора к горизонту рекомендуется выбрать на 15 градусов меньше широты. В нашем случае, это примерно 40 градусов. На ориентированном склоне крыш выполнить такие требования очень сложно, поэтому, можно сказать, что уровень максимально возможного мгновенного КПД для стационарного солнечного коллектора практически никогда не достижим.

Если реальная ориентация солнечного коллектора на объекте отличается менее 15 градусов по горизонту от нулевой ориентации на астрономический юг, то потери не столь велики, но если технически невозможно реализовать данные требования, то, эффективность гелиосистем падает и инвестиции в них никогда не окупятся.

Угловая эффективная зона работы плоских и вакуумных трубчатых коллекторов составляет около 45 градусов в каждую сторону от перпендикуляра к поверхности, то есть в сумме около 90 градусов.

Характер изменения эффективности работы коллектора от угла падения солнечных лучей зависит от конкретной конструкции солнечного коллектора и определяется экспериментально. В идеальном варианте, в диапазоне изменения падения лучей –45 –0 + 45 градусов, при абсолютном перпендикуляре падения солнечных лучей в максимальной точке, мощность солнечного коллектора изменяется на 25 %, но в реальности это изменение значительно больше и составляет около 50 %, причем у плоских коллекторов этот показатель еще ниже, поскольку абсорбер, в крайних положениях солнца затеняется боковыми стенками коллектора.

Некоторые производители указывают в характеристиках оборудования угловые коэффициенты.

IAM (Incident Angle Modifier) – угловой коэффициент. Поправочный коэффициент, который помогает учесть конструктивные особенности конкретного коллектора, чтобы откорректировать количество солнечного излучения поступающего при различных углах падения относительно основной плоскости солнечного коллектора (учитывается все отражение, преломление и затенение солнечных лучей).

У открытых солнечных коллекторов данный коэффициент равен 1. Максимальный мгновенный КПД 0,5–0,9.

У закрытых плоских – IAM = 0,85–0,95 в зависимости от толщины воздушного слоя и высоты боковой стенки коллектора над плоскостью абсорбера. Максимальный мгновенный КПД 0,74–0,88. У вакуумных одностенных перьевых трубчатых коллекторов

IAM = 0,9–1,1, максимальный мгновенный КПД 0,65–0,80.

У вакуумных коаксиальных – IAM = 1,1–1,6, максимальный КПД прямого солнечного излучения 0,45–0,75. но вакуумные коаксиальные трубки с цилиндрическим абсорбером могут воспринимать не только прямое, но и рассеянное солнечное излучение. действие которого можно учесть поправочным коэффициентом интенсивности, равным для солнечной погоды 1,15.

В виде графиков корректировка значения мощности солнечного излучения представлена на рис. 25.

Рис. 25. Графики зависимости мощности солнечного излучения от угла падения лучей для разных типов солнечных коллекторов

Из графика видно, что площадь фигуры под графиком мощности трубчатого вакуумного коллектора больше аналогичной фигуры плоского коллектора примерно на 15 %, Поскольку движение Солнца равномерное, можно сказать, что энергия, выработанная коллектором на вакуумных трубках больше плоского коллектора на 15 % при равных габаритах и ориентации на Солнце.

Солнце движется по небосводу по двум координатам. Вводятся два угловых коэффициента Поперечный (IAMT – transversal) и Продольный (IAML – longitudinal). Обычно у плоских гелиоколлекторов оба эти коэффициента одинаковые, поэтому указывается только одно значение. У трубчатых вакуумных гелиоколлекторов может существенно отличается Поперечный коэффициент, а Продольный, примерно такой же, как и плоских коллекторов.

Данные угловых коэффициентов некоторых типов тепловых солнечных коллекторов получены в Институте солнечных технологий Solartechnik SPF (Рапперсвиль, Швейцария) и представлены на рис. 26.

Рис. 26. Графики изменения угловых коэффициентов некоторых типов солнечных тепловых коллекторов (Институт солнечных технологий Solartechnik SPF (Рапперсвиль, Швейцария) www.spf. ch (начало)

Рис. 26. Графики изменения угловых коэффициентов некоторых типов солнечных тепловых коллекторов (Институт солнечных технологий Solartechnik SPF (Рапперсвиль, Швейцария) www.spf. ch (окончание)

Среднегодовая выработка тепловой энергии

Солнце в течении дня движется по сложной траектории, которая зависит от времени года, места расположения объекта. Конструкции солнечных коллекторов очень разнообразные, возможно разнообразное расположение коллектора на объекте. Все это очень сильно затрудняет расчет среднегодовой выработки тепловой энергии. Экспериментальные данные по производительности СК очень сильно зависят от погодных условий. Для оценки годовой выработки тепла солнечным коллектором применяются методы математического моделирования. Статистические экспериментальные данные по среднегодовой выработки требуют очень длительного периода времени.

Одной из доступных и наглядных программ является немецкая разработка GeoT*SOL basic 2.0. однако не понятны исходные формулы для математического моделирования, примененные в этой программе и на сколько они соответствуют реальным конструкциям солнечных коллекторов.

В любом случае это сложнейшая задача математического моделирования. В данном учебном пособии можно говорить только о качественном анализе среднегодовой выработки тепловой энергии солнечными коллекторами разных типов.

2. Сравнительный анализ применения солнечных коллекторов различных типов

Поскольку конструкции, место расположение, ориентация, особенности монтажа коллекторов очень разнообразные, то для анализа эффективности рассмотрим качественные характеристики мгновенного КПД различных типов тепловых солнечных коллекторов. На рис. 27 представлены усредненные значения КПД, оптических КПД, коэффициентов теплопотерь для основных типов СК.

Упрощенный расчет КПД коллекторов можно произвести по формуле:

КПД = КПДопт – Ктп·У. (3)

Средние значения оптического КПДопт для позиций на рис. 27, составляют 1 – 0,95; 2 – 0,85; 3 – 0,75; 4 – 0,8; 5 – 0,75.

Средние значения коэффициента теплопотерь Ктп, соответственно, 1 –15; 2 – 7; 3 – 5; 4 – 3,5; 5 – 2 измеряется – Вт/(м2·°С).

У – соотношение разности температур теплоносителя на входе и выходе из коллектора Т, деленное на интенсивность солнечно излучения, измеряется в м2·°С/Вт.

Рис. 27. Мгновенный КПД солнечных коллекторов в зависимости от интенсивности солнечной радиации и разности температур на входе и выходе коллектора [1]: 1 – абсорбер; 2 –коллектор с однослойным остеклением; 3 –коллектор с двухслойным остеклением; 4 — плоский коллектор с высокоселективным покрытием абсорбера; 5 – трубчатый вакуумный коллектор

Оптический КПД характеризует конструктивную способность СК воспринимать солнечную энергию и зависит только от способности прозрачного защитного слоя пропускать энергию, наличию прослойки воздуха между защитным прозрачным слоем и абсорбером и КПД абсорбера.

Интенсивность солнечного излучения сильно зависит от атмосферных факторов. Напоминаем: 1000 Вт/м2 – ясная солнечная погода летом. 800–600 Вт/м2 – небольшая облачность, летом, 300 Вт/м2 – пасмурно летом, зимой эти показатели ниже примерно в 2 раза.

Также напоминаем, что на рис. 27 указаны значения МГНОВЕННОГО МАКСИМАЛЬНОГО КПД. Реальные средние значения примерно в два раза ниже.

Из рис. 27 видно:

Открытые солнечные коллекторы – эффективное использование возможно только в солнечную погоду при подогреве воды на 5–10 °С, при температуре окружающего воздуха выше 20 °С.

Плоские закрытые солнечные с остеклением в 1 слой – применение целесообразно для подготовки горячей воды для нужд приусадебных и дачных участков в летний период при температуре окружающего воздуха не ниже 12–15 °С, способны прогреть воду на 15–25 °С.

Плоские закрытые солнечные с остеклением в 2 слоя – применяются, как и в предыдущем случае, но способны прогреть воду до 35 градусов.

Современные плоские солнечные коллекторы с высокоселективням покрытием абсорбера и хорошей термоизоляцией корпуса – могут эффективно использоваться при температуре окружающего воздуха от 5–10 °С и способны создавать перепад температур в коллекторе до 40 °С.

Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы

Могут эффективно использоваться при температурах окружающего воздуха ниже нуля градусов Цельсия (всесезонные) при обеспечени перепада температур в коллекторе выше 80 °С.

Относительно возможности использования солнечных коллекторов в системах бытового нагрева воды на дачных участках, систем ГВС, систем отопления и технологических системах, можно представить следующие диапазоны изменения параметра У.

Зона А при У < 0,03 м2·°С/Вт – обогрев воды на дачных участках, летом,

Зона Б при У = 0,03–0,08 м2·°С/Вт – для систем ГВС в летний период.

Зона В при У > 0,08 м2·°С/Вт – системы отопления и ГВС капитальных сооружений.

При значениях У > 0,12, возможно использование систем солнечных коллекторов в многоквартирных домах и технологических промышленных процессах.

Литература:

1. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М., Энергоатомиздат, 1991, 208 с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Суммарное количество всей потребляемой энергии человечеством составляет всего около 0,0125 % доли процента от энергии возобновляемых источников, имеющихся на планете Земля, главная из которых энергия Солнца.

Теплоэнергетика, наряду с другими отраслями, вносит большой вклад в накопление парниковых газов, поскольку именно при сжигании ископаемого топлива в котлах коммунального хозяйства и индивидуальных домов, происходит выброс диоксида углерода. Применение, при решении вопросов теплоснабжения, энергосберегающих высокоэффективных технологий и экологически чистых возобновляемых источников энергии, позволит сохранить планету.

По данным института АЕЕ INTEC, на конец 2012 г. в мире установлено 383 млн квадратных метров солнечных тепловых установок общей тепловой мощностью 268,1 ЕВт с годовой выработкой тепловой энергии 225 ТВт·ч. С каждым годом эти показатели только возрастают. К сожалению, в России общая площадь солнечных тепловых установок оценивается в 30 тыс. м2.

Более 60 % территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт·ч/м2 в день, а регионы Приморья и юга Сибири от 4,5 до 5,0 кВт·ч/м2 в день, что не сильно отличается от аналогичных показателей центральной Европы (5,0– 5,5 кВт·ч/м2 в день).

Солнечные тепловые коллекторы успешно применяются для подготовки горячей воды на дачном участке, в системах отопления и горячего водоснабжения индивидуальных и коллективных домов, промышленных системах теплоснабжения.

В настоящее время наибольшее распространение получили:

• солнечные тепловые коллекторы открытого типа;
• плоские закрытые солнечные трубчатые тепловые коллекторы;
• закрытые трубчатые и объемные солнечные коллекторы;
• вакуумные трубчатые солнечные коллекторы.

Доля последних составляет более 62 % от всего объема выпускаемых в мире солнечных коллекторов.

С точки зрения эффективности использования различных типов солнечных коллекторов и их применения в хозяйстве, можно рекомендовать.

Открытые солнечные коллекторы – эффективное использование возможно только в солнечную погоду при подогреве воды на 5–10 °С, при температуре окружающего воздуха выше 20 °С.

Плоские закрытые солнечные с остеклением в 1 слой – применение целесообразно для подготовки горячей воды для нужд приусадебных и дачных участков в летний период при температуре окружающего воздуха не ниже 12–15°С, способны прогреть воду на 15–25°С. Плоские закрытые солнечные с остеклением в 2 слоя – применяются, как и в предыдущем случае, но способны прогреть воду до 35 градусов. Современные плоские солнечные коллекторы с высокоселективням покрытием абсорбера и хорошей термоизоляцией корпусамогут эффективно использоваться при температуре окружающего воздуха от 5–10°С и способны создавать перепад температур в коллекторе до 40°С.

Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы

Могут эффективно использоваться при температурах окружающего воздуха ниже нуля градусов Цельсия (всесезонные) при обеспечении перепада температур в коллекторе выше 80 °С.

Вопросы работы гелиосистем с использованием солнечных тепловых коллекторов будут рассмотрены в следующих частях учебного пособия «Комбинированные тепловые гелиосистемы».

 

Просмотров: 409

Сравнение плоских и вакуумных солнечных коллекторов

Часто можно услышать, что вакуумные коллекторы эффективнее, так как в их трубках содержится вакуум. И поэтому их тепловые потери ниже. В этом есть доля правды, т.к. вакуум является хорошим теплоизолятором. Но на сегодняшний день, например, в плоских коллекторах большинства про между стеклом и абсорбером находится инертный газ, который, предотвращает тепловые потери, обеспечивает быстрый прогрев коллектора и исключает выпадение конденсата в утренние часы.

Для более детальной оценки свойств, рассмотрим конструкцию плоского и вакуумного коллекторов.

В основе конструкции плоских коллекторов лежит абсорбер (поглотитель) и медные трубки с жидкостью (смесь гликоля с водой с очень низкими показателями точки кипения — максимальная температура около 200°С). Теплоноситель забирает тепло у поглотителя через медную трубку. Поглотитель защищён корпусом коллектора и имеет эффективную тепловую защиту (минеральная вата толщиной около 50 мм), что обеспечивает минимальные тепловые потери. Сверху коллектор покрывается стеклом с низким содержанием железа.

Конструкция плоского коллектора

• 1 – стекло
• 2 – медная трубка
• 3 – воздух или инертный газ
• 4 – абсорбер
• 5 – теплоизоляция
• 6 – листовой метал
• 7 –корпус коллектора

Вакуумный коллектор состоит из трубок и основного корпуса. В трубке вакуумного коллектора находится медный поглотитель с тепловой трубкой (трубчатый теплообменник), заполненной испаряющейся жидкостью. Теплоноситель через трубчатый теплообменник забирает тепло. Максимальная температура в состоянии простоя около 270°С. Вакуум в стеклянных трубках обеспечивает оптимальную теплоизоляцию, и почти полностью исключаются потери на конвекцию между стеклянной трубкой и поглотителем. Все трубки подсоединяются к сборному коллектору.

Конструкция вакуумного коллектора

• 1 – сборный коллектор
• 2 – теплоизоляция
• 3 – корпус
• 4 – вакуумная трубка
• 5 – трубчатый теплообменник
• 6 – направляющий лоток
• 7 – абсорбер
• 8 – отражающая поверхность

Коэффициент полезного действия (КПД)

Одним из самых важных показателей эффективности работы солнечного коллектора является коэффициент полезного действия, который показывает, какая доля солнечного излучения, которое попадает на коллектор, может быть превращена в полезную тепловую энергию.

Часть солнечного излучения, которое попадает на коллектор, отражается и поглощается на стекле, а также отражается на поглотителе. По соотношению поступающего на коллектор солнечного излучения и мощности излучения, преобразуемой на поглотителе в тепло, определяют оптический КПД.

Для плоских коллекторов в зависимости от типа и производителя, оптических КПД находится в диапазоне 75-85%. Для вакуумный коллекторов этот показатель составляет 80-83%. Т.е. по значениям оптического КПД два типа коллекторов приблизительно равны. Для более наглядного сравнения работы плоского и вакуумного коллекторов приведем следующие данные.

Центр повышения уровня разработок в солнечной энергетике (The centre of excellence for solar engineering) при Ингольстадком университете прикладной науки (Ingolstadt University of Applied Sciences) провел исследование системы солнечного теплоснабжения двухсемейного частного дома. Цель проекта — сравнение работы современного вакуумного трубчатого и плоского солнечного коллектора для нужд нагрева воды и отопления здания.

Для исследования выбран обычный двухсемейный частный дом, расположенный в Баварии. Лаборатория для исследования расположена в самом доме. Затенение коллекторов минимально, коллекторы ориентированы на юг. Вакуумные трубчатые коллекторы установлены выше, чем плоские и поэтому меньше затеняются обзорным окном.

Приведем график выработки тепловой энергии плоского и трубчатого вакуумного коллекторов в период осень-весна. картинка график.

Несмотря на более низкую номинальную эффективность, за весь период испытаний, плоский солнечный коллектор выработал больше тепловой энергии для общей площади. Правильно сравнивать именно общую площадь коллектора, т.к. величина общей площади коллектора занимает пространство на крыше для выработки тепла, следовательно, стоит учитывать и представленную стоимость для владельца здания. Кроме этого, доступная область крыши часто ограничивает число коллекторов, особенно в системах солнечного отопления, где зачастую необходимы большие площади коллекторов.

Выработка тепловой энергии для апертурной площади коллектора выше для вакуумного трубчатого коллектора осенью и весной. Хотя ожидалось, что в зимний период, когда температура окружающей среды ниже, вакуумный трубчатый коллектор выработает большее количество тепловой энергии, чем плоский коллектор (как обещают производители). Несмотря на это, показатели выработки тепловой энергии зимой у плоского и у вакуумного трубчатого коллекторов приблизительно равны.

Обмерзание

Была исследована работа вакуумного и плоского коллектора в зимний период. Выбран зимний январский день с наиболее идеальными условиями для работы вакуумного трубчатого коллектора: хорошее солнечное излучение при низкой температуре окружающей среды.

Вакуумный трубчатый коллектор вошел в рабочее состояние только в небольшой промежуток времени во второй половине дня, когда солнечная интенсивность начинала падать. Причина этому то, что вакуумный трубчатый коллектор был покрыт изморозью и снегом в данный период, и размораживался очень долго из-за эффективной вакуумной изоляции. А сход снежного слоя на вакуумном трубчатом коллекторе был затруднен, из-за того, что снег задерживается между стеклянными трубками коллектора даже при угле наклона 33°.

Механические повреждения

Важным достоинством плоских коллекторов является устойчивость к механическим повреждениям. Риск повреждения каленого стекла значительно ниже, так как стекло почти в три раза толще (3-4 мм), чем в вакуумных трубках, которые, в свою очередь, не всегда могут выдержать даже град. И тому причина разница давления вакуум/воздух между стеклянными трубками.

Плоские коллекторы производятся современным промышленным методом пайки, исключены всякого рода заклепочные соединения, винты и уплотняющие материалы. Высококачественный материал обеспечивает длительный срок службы.

А у вакуумных необходимо производить замену некоторых трубок, так как со временем вакуум исчезает, и коллектор тогда работает неэффективно.

Монтаж

В зависимости от типа и количества трубок вес вакуумного коллектора составляет от 25 до 95 кг. Устанавливать его можно под любым необходимым углом, на плоской кровле, на наклонной кровле, на фасаде, на отдельно стоящей конструкции.

Хотя конструкция плоского коллектора каркасная, а не собирается из отдельных трубок – монтировать его не составляет труда, весит он чуть больше сорока килограмм. Плоский коллектор, возможно, также монтировать под любым необходимым углом, всеми перечисленными способами, как и для вакуумного коллектора, а также возможен монтаж плоского коллектора, встроенного в крышу.

Стоимость

Наша компания предлагает Вам посмотреть такие солнечные комплекторы:

В заключение можно добавить, что оба типа коллекторов подходят для выработки тепла для систем водоснабжения и отопления в климате центральной Европы. Однако, при нашем опыте использования вакуумных и плоских коллекторов, мы убедились, что плоский солнечный коллектор является предпочтительной альтернативой для солнечных систем.

Солнечные коллекторы — NENCOM

Солнеч­ные кол­лек­торы, в отли­чие от сол­неч­ных бата­рей, не выра­ба­ты­вают элек­три­че­ство, а нагре­вают воду или анти­фриз. Современ­ные модели спо­собны нагре­вать воду до кипе­ния даже при отри­ца­тель­ных тем­пе­ра­ту­рах.

Попытки исполь­зо­ва­ния сол­неч­ной энер­гии для отоп­ле­ния и подо­грева воды известны с давних времен. Одна из дошед­ших до наших дней — плос­кий сол­неч­ный кол­лек­тор швей­царца Ораса Бенедикта де Соссюра конца XVIII века. Уже тогда с его помо­щью можно было при­го­то­вить пищу.

По-сути, нако­пи­тель сол­неч­ной энер­гии можно сде­лать и своими руками из под­руч­ных средств. Например, даже ведро с водой, выстав­лен­ное на солнце, тоже явля­ется сол­неч­ным кол­лек­то­ром. Но для прак­ти­че­ского при­ме­не­ния и высо­кого КПД необ­хо­димы гораздо более совер­шен­ные кон­струк­ции.

Современ­ный сол­неч­ный кол­лек­тор — это слож­ный погло­ти­тель (абсор­бер) сол­неч­ной энер­гии со встро­ен­ным в него тру­бо­про­во­дом для теп­ло­но­си­теля. Абсорбер раз­ме­щен в гер­ме­тич­ном кор­пусе, откры­том солнцу только с одной сто­роны. Тыльная сто­рона закрыта и утеп­лена слоем мине­раль­ной ваты или другим утеп­ли­те­лем. Таким обра­зом кол­лек­тор — это свое­об­раз­ная высо­ко­тех­но­ло­гич­ная мини­а­тюр­ная теп­лица.

Чем больше сол­неч­ной энер­гии пере­да­ётся теп­ло­но­си­телю в кол­лек­торе, тем выше его эффек­тив­ность. Это тре­бует при­ме­не­ния спе­ци­аль­ных мате­ри­а­лов. Один из них — медь, обла­да­ю­щая очень высо­кой теп­ло­про­вод­но­стью. Повышают погло­ще­ние и спе­ци­аль­ные опти­че­ские покры­тия, не излу­ча­ю­щие тепло в инфра­крас­ном диа­па­зоне. Это мно­го­слой­ное селек­тив­ное напы­ле­ние уни­каль­ного сап­фи­ро­вого цвета, улав­ли­ва­ю­щее сол­неч­ное излу­че­ние в очень широ­ком спек­тре — гораздо шире види­мого чело­ве­ком.

В наше время наи­бо­лее рас­про­стра­нены два типа кол­лек­то­ров — плос­кий и труб­ча­тый (ваку­ум­ный). Послед­ний, вобрав в себя все досто­ин­ства плос­ких кон­струк­ций, более удобен в мон­таже и обслу­жи­ва­нии, так как при повре­жде­нии одной из трубок, доста­точно заме­нить только ее. Поскольку вакуум явля­ется иде­аль­ным теп­ло­изо­ля­то­ром, труб­ча­тые кол­лек­торы прак­ти­че­ски неза­ви­симы от окру­жа­ю­щей среды и зна­чи­тельно более чув­стви­тельны к мини­маль­ному сол­неч­ному излу­че­нию. Благодаря этим тех­но­ло­гиям, ваку­ум­ные кол­лек­торы нашли широ­кое при­ме­не­ние в составе круг­ло­го­дич­ной, допол­ни­тель­ной энер­го­си­стемы для отоп­ле­ния и подо­грева воды.

Термоси­фон­ные гелио­си­стемы

Термоси­фон­ные системы явля­ются бюд­жет­ной ком­би­на­цией сол­неч­ных кол­лек­то­ров и нако­пи­тель­ных водо­на­гре­ва­те­лей. Два этих устрой­ства объ­еди­ня­ются в одну ком­пакт­ную кон­струк­цию, кото­рая обес­пе­чи­вает доста­точно высо­кую эффек­тив­ность при мини­маль­ных затра­тах. Термоси­фон­ные системы иде­ально под­хо­дят для летних дач, отелей, кафе и стро­и­тель­ных пло­ща­док.

Основу системы состав­ляет сол­неч­ный колек­тор, кото­рый обес­пе­чи­вает прием сол­неч­ной энер­гии и нагрев теп­ло­но­си­теля. Нагретый теп­ло­но­сить есте­ствен­ным обра­зом под­ни­ма­ется вверх в нако­пи­тель­ный бак, где отдает тепло воде и воз­вра­ща­ется обратно в кол­лек­тор. Этот про­цесс повто­ря­ется непре­рывно.

Такая есте­ствен­ная кон­век­ция каждую секунду про­ис­хо­дит вокруг нас: Солнце нагре­вает поверх­ность Земли, морей и оке­а­нов, обра­зуя ветры и тече­ния. Происхо­дит кру­го­во­рот воды в при­роде.

Термоси­фон­ные системы, явля­ясь мини­а­тюр­ными моде­лями при­род­ной энер­ге­ти­че­ской уста­новки, спо­собны функ­ци­о­ни­ро­вать авто­номно многие годы. Они не нуж­да­ется в спе­ци­аль­ном цир­ку­ля­ци­он­ном обо­ру­до­ва­ниии, что, при про­стоте устрой­ства и мон­тажа, обес­пе­чи­вает прак­тич­ность и высо­кую рен­та­бель­ность.

Благодаря своей ком­пакт­но­сти, тер­мо­си­фон­ная система может цели­ком мон­ти­ро­ваться на крыше и состо­ять как из отдель­ного модуля, так и из несколь­ких. Для допол­ни­тель­ного нагрева воды при нехватке сол­неч­ной энер­гии, бой­леры могут быть обо­ру­до­ваны встро­ен­ным элек­три­че­ским подо­гре­ва­телем.

Выберите удобный способ связи или заполните форму:

дизайнов | Бесплатный полнотекстовый | Проект нового солнечного теплового коллектора с керамическими материалами, интегрированными в фасады здания

1. Введение

Важность энергопотребления в связи с проблемами окружающей среды и истощением природных ресурсов делает больший акцент на поощрении использования энергии за счет других возобновляемых ресурсов. По данным Европейской федерации солнечной тепловой промышленности [1], солнечная энергия, пожалуй, самая популярная из всех возобновляемых источников энергии.Вот почему анализ и оценка сегодняшних систем солнечных тепловых коллекторов (далее STC) так важны для выявления их ограничений и изучения улучшений и инноваций, которые делают возможным их более широкое использование и улучшение этих аспектов.

2. Требования к проектированию нового STC

Вопросы, касающиеся архитектурной интеграции элементов коллектора, хорошо известны; в результате они почти всегда оказываются на крышах домов, где их присутствие остается незамеченным.Таким образом, эта ситуация требует, чтобы система STC могла быть архитектурно интегрирована в ограждающие конструкции здания (архитектурная интеграция означает способность элементов эстетически соответствовать или положительно выделяться на фоне других элементов фасада или крыши). Новая коллекторная система должна обеспечивать возможность эстетического сочетания и дополнения остальной оболочки здания, а также иметь возможность разнообразной отделки. В этом отношении важную роль может сыграть использование керамических материалов.

Новая коллекторная система должна соответствовать критериям с точки зрения энергии и конструктивно. С конструктивной точки зрения коллекторная система должна быть частью самой оболочки здания (фасад и / или крыша) и гарантировать, по крайней мере, те же свойства, что и традиционная поверхность здания, которую она заменяет. Он должен обеспечивать возможность установки на фасаде и / или крыше без необходимости во вспомогательной опорной конструкции, используя саму подконструкцию ограждающей конструкции здания, тем самым упрощая установку, предлагая возможность легкого изменения угла панели, гарантируя безопасность, быстрая и простая реализация, обеспечивающая высокую производительность и обеспечивающая простую замену или удаление деталей, если они повреждены или неисправны.

За счет интеграции коллекторной системы в оболочку здания любая часть фасада может использоваться для использования энергии. Его архитектурная интеграция позволит устанавливать его на большие площади и, в свою очередь, позволит ему работать при более низких температурах, чем обычные системы. Если мы рассмотрим средиземноморский или другой подобный климат, достаточно разработать систему, обеспечивающую рабочие температуры от 30 ° C до 60 ° C.

Также требуется система, которая является более рентабельной для конечного пользователя, поэтому следует избегать использования пластин и металлических трубопроводов или специальных покрытий, которые увеличивают стоимость системы сбора.Поэтому STC следует проектировать с использованием более дешевых материалов, таких как керамика, которая сегодня может заменить металл в этих приложениях. Аналогичным образом, чтобы избежать установки герметичного стального кожуха на каждый коллектор (Герметичный металлический кожух обычных коллекторов, а также используемый в качестве водонепроницаемого и теплоизоляционного элемента с открытыми порами, в некоторых случаях также служит элементом для крепления коллектора к вспомогательной опорной конструкции.) было бы более подходящим использовать изолирующие материалы с жесткими панелями и закрытыми порами, которые являются водонепроницаемыми и способны выдерживать высокие рабочие температуры.

Наконец, процесс установки должен быть простым, безопасным и не требовать специальных рабочих, то есть, чтобы никто не выходил на фасад.

3. Метод и материалы

3.1. Общая установка: форматы и материалы

На основании вышеупомянутых требований была спроектирована керамическая система ограждающих конструкций здания, состоящая из двух основных элементов: керамической коллекторной панели со стеклянным кожухом и керамической не собирающей панели без стекла (рис. 1). Это позволяет использовать подходящую комбинацию блестящих поверхностей (коллекторные панели) и неярких поверхностей (не собирающие панели), которые, в свою очередь, можно эстетически комбинировать с яркими или отражающими поверхностями на фасаде здания, такими как окна, световые люки. и т.п.

Для этих панелей мы предлагаем два разных формата для повышения универсальности системы: первый, меньший, имеет размеры 1000 × 1000 мм, а второй, больший, размером 1000 × 3000 мм. Широкоформатная панель устанавливается очень быстро и требует меньшего количества разъемов и соединений на корпусе. Однако запасные части более дорогие, и для их правильного обращения и установки требуются вспомогательные средства. Малоформатную панель проще установить и ее легче адаптировать к оконным проемам, но для этого требуется больше соединителей, пропорционально занимаемой ею площади поверхности фасада.

После того, как общая конфигурация нового STC определена, проводится начальный блок испытаний, в основном на основе выбора материала и соответствующей толщины. Определяются толщины внутренних камер (инфракрасная ловушка и внутренний контур для потока теплоносителя), а также толщина материалов, используемых для самой панели коллектора (керамическая пластина поглотителя, теплоизоляция и стекло). Кроме того, в то же время, посредством создания небольших прототипов, анализируются энергетические характеристики коллектора, а также система, используемая для крепления и установки панелей на фасаде.

3.1.1. Керамика

Как уже упоминалось, керамика играет фундаментальную роль в конструкции этой системы. Следовательно, необходимо использовать продукт, который может адаптироваться к техническим, архитектурным и энергетическим потребностям проекта. Тонкая фарфоровая плита с большой площадью поверхности, известная под коммерческим названием Laminam (продукт Laminam был создан в 2001 году инженером Франко Стефани), соответствует требованиям. Формат имеет ширину 1000 мм, длину 3000 мм и толщину 3 мм и предлагает широкий выбор отделки и цветов как для создания интересного архитектурного диапазона, так и для достижения эффективных впитывающих свойств в более темных тонах [3].Из-за большой площади поверхности можно использовать панели коллектора от пола до потолка, а из-за своей уменьшенной толщины он очень легкий (рис. 2) и может быть легко и точно разрезан для создания внутренних перегородок коллектора.

3.1.2. Стекло

Для повышения эффективности керамического коллектора необходимо использовать специальное стекло с высоким коэффициентом пропускания (солнечное стекло), которое имеет низкое содержание FE203 и широко используется в коммерческих коллекторах. Размещение коллекторов на фасаде требует использования многослойного стекла, толщина которого 4 мм была выбрана, чтобы избежать чрезмерного веса [4].

3.1.3. Клей

Основная задача в этом разделе заключалась в том, чтобы найти тип клея, который мог бы соединить базовую керамическую пластину с керамической пластиной-поглотителем, а затем последнюю со стеклом. Таким образом, существует два типа соединения: керамика-керамика и керамика-стекло.

Клей, используемый для соединения стекла и керамики, должен быть устойчивым к атмосферным воздействиям и ультрафиолетовому излучению, чтобы его характеристики не ухудшались из-за такого воздействия. Он также должен выдерживать напряжение сдвига, оказываемое весом многослойного стекла.Чтобы рассчитать напряжение клеящего материала, используемого для этого соединения, оно будет пропущено через специально разработанную имитационную модель, для которой предполагается, что клеевой слой имеет толщину 2 мм и ширину 20 мм.

Кроме того, клей, используемый в качестве соединительного элемента между пластиной поглотителя и основной керамической пластиной (соединение керамика-керамика), должен быть устойчивым к воде и хлору. Он также должен иметь сопротивление сильному сцеплению, так как вода циркулирует в полости между двумя керамическими пластинами и перегородками под определенным давлением.Аналогичным образом, необходимо учитывать диапазон температур, при котором клей сохраняет свои свойства, который должен включать диапазон рабочих температур коллектора, поскольку иногда он может достигать относительно высоких температур (до 100 ° C). Клеи, поставляемые компаниями, специализирующимися на этом виде соединения (керамика-керамика), были подвергнуты лабораторным испытаниям на растяжение. С этой целью прямоугольные керамические детали размером 20 × 65 мм были вырезаны и приклеены крест-накрест с каждым из рассматриваемых клеев с площадью соединения 20 × 20 мм.Кусочки оставили на три дня, чтобы клей полностью высох. Перед проведением испытания детали были погружены в термостатическую баню с кипящей водой, т. Е. При 100 ° C, чтобы соединение выдерживало требуемые температурно-влажностные условия.

3.1.4. Теплоизолятор

В этом разделе было проанализировано подавляющее большинство доступных теплоизоляционных материалов в строительном секторе. Для каждого из них были проанализированы его водонепроницаемость, способность обеспечивать жесткость панели коллектора, максимальную рабочую температуру, теплопроводность и, наконец, стоимость (Таблица 1).

После этого анализа материал, выбранный для удовлетворения вышеупомянутых основных условий, представляет собой жесткую панель из полиизоцианурата (PIR). Это серийно выпускаемая сэндвич-панель, состоящая из сердцевины или центра из жесткого пенополиизоцианурата и двух сторон бумаги с различной отделкой. Он имеет множество различных форматов, начиная с ширины 1220 мм и до 6000 мм в длину. Теплопроводность этого материала очень низкая (около 0,026 Вт / мК), и он способен выдерживать максимальную рабочую температуру 120 ° C.Кроме того, его рыночная цена находится в тех же пределах, что и у минеральной ваты.

3.2. Программа испытаний

После того, как различные материалы, из которых состоит новый коллектор, были выбраны и проанализированы, была проведена серия испытаний, чтобы предоставить информацию, касающуюся, среди прочего, оптимального расстояния между многослойным стеклом и керамической пластиной поглотителя (толщиной инфракрасного излучения). ловушка), сопротивление коллектора давлению, расширению и воде, совместимость материалов, тип внутренней цепи (последовательно / параллельно), толщина, ширина и разделение внутренних керамических перегородок, тип трубопровода и система электропроводки.Для каждого из этих тестов, представленных в докторской диссертации Ровираса [4], но из-за их длины, не опубликованной в этой статье, были определены следующие параметры:

Оптимальная толщина инфракрасной ловушки была установлена ​​на уровне 10 мм.

При испытании коллектора под давлением была определена ширина полости (расстояние между внутренними стенками, через которые будет циркулировать теплоноситель) не более 50 мм. Испытания на расширение и водонепроницаемость показали, что прототипы, испытанные при различных температурах и давлениях, не имели протечек.Ни у одного из них не было обнаружено трещин из-за теплового расширения.

Исследование совместимости материалов, проведенное путем анализа разницы скоростей расширения между материалами, из которых состоит коллектор, подтверждает, что коллектор может легко выдерживать любые резкие изменения температуры, которым он может подвергаться.

Что касается типа внутреннего контура (по которому будет циркулировать теплоноситель), коллектор с параллельным внутренним контуром показал несколько более высокие характеристики, чем коллектор с последовательным контуром.

Из всех исследованных трубок наиболее подходящими были признаны модели из сшитого полиэтилена (PEX). Оптимальный диаметр трубок был установлен 12–13 мм.

3.3. Керамический солнечный коллектор типа

Для подтверждения конфигурации предлагаемой керамической коллекторной панели, ее энергетическая жизнеспособность была проверена в соответствии с применимыми правилами для тепловых коллекторов солнечной энергии [5]. В этом испытании был изготовлен прототип размером 1000 × 1000 мм с использованием материалов и результатов, полученных в ходе предыдущих испытаний.Для получения данных об энергии использовалось конкретное экспериментальное моторизованное устройство, в основном состоящее из термостатированной ванны, мембранного насоса, расходомера, трех терморезисторов, пиранометра и анемометра (рисунок 3). Важно отметить, что характеристическая кривая STC (солнечный тепловой коллектор) (рисунок 4) извлекается из трех параметров, которые предоставляют информацию о его тепловой работе. На первом месте стоит оптическая эффективность (μ | _{T * = 0} ): это значение ординаты в начале линии и соответствует значению производительности коллектора, когда параметр T * равен нулю ( T * является функцией температуры воды на входе (Te), температуры окружающей среды (Ta) и солнечной радиации (Gs) по следующему уравнению: T * = (Te-Ta) / Gs.Следовательно, определение характеристической кривой заключается в знании соотношения μ = μ (T *).). Температура воды на входе (Te) равна температуре окружающей среды (Ta). Это максимальная производительность, которую можно получить с коллектором. Чем он выше, тем лучше термическое поведение того же самого. С другой стороны, у нас есть коэффициент общих потерь: это значение наклона характеристической кривой, относящееся к тепловым потерям коллектора — чем лучше изолирован и спроектирован, тем меньше будет значение этого параметра.Наконец, температура застоя (T * | _{μ = 0} ): это значение параметра T * для случая, когда эффективность коллектора равна нулю, то есть коллектор не может поднять температуру воды, которая вход для данных условий окружающей среды. Чем он выше, оптическая эффективность и / или меньше общий коэффициент потерь, тем больше будет значение этого параметра. Следовательно, энергоэффективность коллектора будет тем выше, чем выше его оптический КПД и ниже его общий коэффициент потерь.Измеренные параметры показали положительные результаты. Графики показывают подходящую зависимость между солнечным излучением и температурой воды на выходе из коллектора (Таблица 2), которая достигает максимума 32 ° C, что достаточно для желаемой производительности (мы должны помнить, что для STC, такого как предложенный , в средиземноморском климате и с архитектурной интеграцией, которая позволила бы разместить его на больших площадях, существует возможность работы при температурах, которые ниже, чем у обычных систем, и, следовательно, температуры не ниже 30 ° C будут быть достаточным).На основе данных испытаний была определена характеристическая кривая испытанного керамического коллектора и сравнена с кривыми других промышленных коллекторов, одна из которых имеет оптимальную производительность, а другая — минимальные характеристики: кривая предлагаемого коллектора находится в пределах нормы. Диапазон производительности коммерческих коллекторов (рисунок 5). В любом случае необходимо учитывать, что рассматриваемый оптимальный коллектор (обычный CST) использует в своей конструкции металлические материалы (теплопроводность лучше, чем керамика), специальные и селективные покрытия, которые имеют высокую поглощающую способность солнечного излучения и снижают потери. коллекционера.Данные, полученные с помощью керамического коллектора, достаточно хороши, учитывая используемые материалы и большую доступную площадь (весь фасад), поскольку это интегрированная система, которая является частью системы внешнего ограждения здания [6,7].

3.4. Предложение по проектированию конструктивной системы

Наряду с вышеупомянутыми испытаниями была также изучена конструкция конструктивной системы для установки керамического кожуха коллектора, который для достижения полной архитектурной интеграции должен составлять часть самой оболочки здания [8, 9], и реагировать на улучшения, описанные во введении к этой статье: простая и быстрая установка, безопасная для оператора сборка, простая разборка панелей по отдельности и, желательно, возможность сборки внутри здания.Помимо этих аспектов, также стоит добавить, что конструктивная система должна быть способна поглощать возможные структурные движения, действовать независимо от внутренней оболочки, чтобы избежать существования акустических мостов, и обеспечивать конечную толщину поверхности фасада (кожух коллектора + опора + внутренняя отделка) не более 30 см, чтобы оставаться конкурентоспособными на сегодняшнем рынке. Под этими помещениями была разработана конструктивная система из пяти различных металлических профилей, три из которых имеют форматы, существующие сегодня на рынке (можно найти в основных каталогах металлических профилей).Этот последний фактор имеет очень благоприятные последствия для окончательной стоимости системы [10]. Ниже приведены 8 шагов, которые необходимо выполнить для установки ограждающей конструкции здания (рис. 6):

Шаг 1: Вертикальное выравнивание углового профиля по периметру

Этот первый шаг развивается из уже построенной конструкции из колонн и перекрытий и состоит из расположения l-образного профиля по периметру, выровненного с отвесом, определенным для конструкции. Этот профиль будет прикреплен к плите с помощью шурупов и пазов в самом профиле, чтобы согласовать выравнивание конструкции с отвесом.Все это делается изнутри здания. После этого несолнечная панель помещается на место, проходя ее по периметру l-профиля, готовая к нанесению самовыравнивающегося раствора, который будет служить основой для отделки пола. Вертикальная складка l-образного профиля по периметру в этом случае также выступает в качестве удерживающего элемента для регулирующего слоя.

Шаг 2: Присоединение вертикальных профилей

Следующим шагом является прикрепление вертикальных профилей из листовой стали Ω-100 к L-образному профилю по периметру плиты.Стойки удерживаются на месте крыльями омега-профиля и специальными винтами. Общая высота этого профиля может изменяться в зависимости от высоты между плитами здания. Верх стоек выровнен по определенной высоте и управляется лазером, чтобы обеспечить равномерное расположение всех профилей. Они устанавливаются примерно на 70 см над уровнем перекрытия, который уже регулируется, обеспечивая удобное и безопасное положение для человека, соединяющего профили. Оставшаяся длина профиля, достигающая примерно 3 м, всегда будет соединяться снизу с нижним профилем с помощью соединительной детали.Эта операция также проводится изнутри здания.

Шаг 3: Соединение между стойками

После этого вертикальные профили (Ω-100) соединяются через соединительный элемент, который также является омега-секцией. Этот соединитель устанавливается с полной безопасностью и комфортом изнутри здания и обеспечивает соединение между стойками, помимо того, что он действует как регулирующий элемент для разницы в высоте, которая может быть между строительными плитами. Соединение выполняется специальными винтами через продольные отверстия в соединительном профиле.

Шаг 4: Установка горизонтальных направляющих

После закрепления и соединения всех стоек фиксируются металлические направляющие, которые будут служить направляющими для коллекторных и несборных панелей. Их размер и расположение будут зависеть от модуляции, установленной в соответствии с форматом панелей.

Шаг 5: Прикрепление точек крепления

К стойкам с помощью винтов прикреплены детали, которые фиксируют и удерживают панели. Эта система крепления является результатом исследовательского проекта GLACTIS под номером DEX-530000-2008-91, полученного при финансировании со стороны государства Испании через Министерство промышленности, туризма и торговли, а также была разработана совместно с Международным университетом Каталонии (UIC). , Uralita Iberia и компания по производству керамических материалов Saloni.

Этапы 6 и 7: Крепление и соединение панелей

Установка панелей выполняется в последовательности, показанной на Рисунке 7: сначала вставьте панель в верхний горизонтальный паз и поверните внутрь, пока она не войдет в нижнюю направляющую. Затем панель перемещается по этой нижней направляющей, пока не встретится с соседней секцией, при этом панель удерживается отдельно между горизонтальными направляющими. Затем панели крепятся к подготовленным анкерным точкам на стойках.

Наконец, трубы коллекторных панелей устанавливаются и подключаются внутри здания.

Эта последовательность сборки позволяет легко и быстро разобрать панели, если они нуждаются в обслуживании, ремонте или если одна из них сломалась, без необходимости вмешиваться в соседние панели или манипулировать ими. По этой причине необходимо было изучить поперечное сечение панели и установить минимальную толщину для горизонтальных стыков, которые позволяют панели перемещать, необходимые для удаления панели.

Шаг 8: Внутренняя перегородка

После того, как панели коллектора были полностью соединены, внутренняя секция завершается с использованием любой из имеющихся на рынке систем для промышленных перегородок из ламинированного гипсокартона и стальных профилей.

Конструкция позволяет системе предлагать двойную функциональность, как энергетическую, так и конструктивную, гарантируя те же требования и толщину (не более 26 см), что и у обычного конверта, только включая, в пределах той же толщины, встроенный солнечный коллектор. .

4. Изготовление прототипов и реальных испытаний

Наконец, были собраны набор прототипов, четыре коллекторных панели и две несборные панели (рис. 8) с целью построения части фасада для оценки их энергетических характеристик. , технико-конструктивная осуществимость и архитектурная интеграция (Полевые испытания проводились на крыше лаборатории ITC в Кастельоне (Испания).Следует отметить, что в районе Кастельона характерны условия, типичные для средиземноморского климата, с высоким уровнем солнечной радиации в течение всего года).

При установке коллекторов на металлическую опорную конструкцию строго соблюдалась правильная установка различных деталей и хорошая производительность системы. Наклон поверхности коллекторов был практически идеальным, и существенных перекосов между ними обнаружено не было.

Для определения эффективности керамических солнечных коллекторов использовалась специальная экспериментальная установка.Изменение некоторых полученных параметров (температура окружающей среды, солнечное излучение и температура воды на входе и выходе) в течение типичного солнечного февральского дня представляет особый интерес и позволяет проверить правильность работы коллектора при получении солнечного света.

По окончании энергетических испытаний и по прошествии 18 месяцев с момента установки прототипа фасада была проверена правильность работы анкерной системы, не было обнаружено никаких дефектов или заметных проблем, а также панели коллектора и панели, не являющиеся сборщиками были в хорошем состоянии (рис. 9).

5. Выводы

Было доказано, что возможно реализовать оболочку теплового коллектора с использованием керамических материалов, которые соответствуют начальным условиям осуществимости и предполагают следующие результаты:

5.1. Архитектурная интеграция

Предлагаемая оболочка теплового коллектора предлагает возможность эстетических комбинаций и разнообразных отделок. Разнообразие отделок, которые предлагает керамика (цвет и текстура), позволяет адаптировать конверт к любым требованиям архитектурного дизайна [11].Разработанная система позволяет сочетать отражения и блеск стеклянных панелей с матовыми поверхностями керамических панелей. Таким образом, предлагаемая система имеет достаточно ресурсов для архитектурной интеграции. Была успешно создана оболочка, которая, с одной стороны, разрешает оболочку здания, а с другой — способна улавливать солнечную энергию и использовать ее для горячего водоснабжения и / или отопления. Более того, анкеровка панелей выполняется с использованием единой конструкционной системы и позволяет избежать использования вспомогательных подконструкций.Таким образом, новая керамическая коллекторная система хорошо работает как по конструктивным критериям, так и по энергетическим характеристикам [12].

5.2. Экономическая выгода

Успешно разработан солнечный тепловой коллектор, изготовленный из керамических материалов. Эти материалы заменили металлы и соответствующие им селективные покрытия. Кроме того, керамические коллекторы образуют часть оболочки теплового коллектора, которая заменяет обычную оболочку, устраняет добавленную стоимость традиционных коллекторов на рынке и позволяет избежать использования вспомогательных конструкций для целей крепления.Кроме того, при использовании труб из PEX отпадает необходимость в металлических элементах в распределительной и соединительной системе коллекторных панелей. Таким образом, окончательная стоимость системы и соответствующая ей амортизация сводятся к минимуму.

Общая толщина панели коллектора составляет 51 мм (26 мм без теплоизоляции), что примерно на 30–35% меньше толщины обычного плоского коллектора. Кроме того, если учесть, что эта толщина является частью оболочки здания, в отличие от большинства имеющихся на рынке тепловых коллекторов, которые прикрепляются к оболочке здания, можно сделать вывод, что предлагаемая здесь система весьма конкурентоспособна, поскольку способствует большей полезной площади. и уменьшает площадь построенной поверхности [13].

5.3. Конструктивная система ограждающих конструкций здания

Опытный образец фасада был построен рабочими без опыта строительства фасадов и / или крыш. Четкость конструкции позволила ее правильно реализовать, тем самым продемонстрировав простоту монтажа и обеспечив простую и безопасную конструкцию. Полевые испытания также показали легкость, с которой панель может быть снята, не задевая соседние панели.

Полевые испытания продемонстрировали правильные структурные характеристики предлагаемой системы анкеровки при воздействии постоянных нагрузок, создаваемых весом панелей и металлических профилей, и переменных нагрузок, вызываемых ветром.

5.4. Пригодность для средиземноморского климата

Лабораторные и полевые испытания, проведенные на различных прототипах, подтверждают полученный тепловой выход при рабочих температурах от 30 ° C до 45 ° C. Таким образом, если рассматривать возможность его применения на больших площадях и в областях с высоким уровнем солнечной радиации, это удачная конструкция керамической оболочки теплового коллектора с характеристиками, подходящими для средиземноморского климата.

Избегайте этих ошибок проектирования солнечных батарей

Вот некоторые из наиболее распространенных и наиболее серьезных ошибок, которые допускаются при проектировании солнечных батарей.

ИЗБЕГАЙТЕ АРХИТЕКТУРНОГО ЭКСТРЕМИЗМА

Необязательно, чтобы здание на солнечных батареях выглядело как урод. Существует множество вариантов установки солнечных коллекторов, и они не обязательно должны быть расположены в здании (хотя в таком случае они будут на 10% эффективнее).

Установить на землю
Установить вертикально
Устанавливается в гараже или другом пристройке.
Установите на дровяной навес или беседку у бассейна.
Будьте эффективны и уменьшите количество солнечных коллекторов, которые вам нужны.

Не будет экономической выгоды, если солнечная система отопления снизит стоимость недвижимости. Стильное футуристическое здание может быть приемлемо в некоторых местах, но в других оно может показаться неуместным и навязчивым. Используйте свое воображение и сделайте солнечную энергию частью своей жизни. Необязательно переворачивать свою жизнь и строительство на солнечную энергию.

СОХРАНИТЕ ЭНЕРГИЮ ПЕРВЫЕ

Здание, работающее на солнечной энергии, в первую очередь должно быть энергоэффективным.Тогда стоимость и архитектурный эффект здания будут разумными.

ВЫБЕРИТЕ ПРАВИЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР

Важно правильно выбрать солнечный коллектор для поставленной задачи. Конструкция солнечного коллектора, производящая высокие температуры и использующая «высокие технологии», на самом деле не может производить больше полезного тепла. Ванна с теплой водой содержит больше тепла, чем наперсток с обжигающей горячей водой. Для этих солнечных коллекторов есть место, но их нельзя использовать в проектах с низкими и средними температурами.Вам понадобится больше этих солнечных коллекторов, а не меньше, потому что они обеспечивают меньше тепла при более низких температурах. Многие «высокотехнологичные» солнечные коллекторы имеют низкую чистую солнечную апертуру. Другими словами, солнечный коллектор размером 4 x 8 футов (32 квадратных фута брутто) может иметь гораздо меньше чистых квадратных футов черного абсорбирующего материала, задерживающего солнце. Коллекторы с вакуумными трубками не должны проливать снег.

Приведенные выше фотографии иллюстрируют некоторые из проблем, возникающих при выборе конструкции солнечного коллектора.Плоские солнечные коллекторы слева будут сбрасывать снег и иметь хорошую солнечную апертуру брутто / нетто. Правый коллектор имеет плохое отверстие в сетке и не сбрасывает снег.

Щелкните график, чтобы увеличить версию.

ЗНАЙТЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ОТКЛОНЕНИЯ ОТ ТОЧНЫХ УГЛОВ

Важно понимать, что отклонения от «точного идеального угла» для солнечных коллекторов могут привести к незначительной потере производительности или вообще без нее.Дорогие, неприглядные монтажные стойки и лишняя утепленная сантехника обычно не стоят хлопот. Отклонения до 30 градусов не имеют значения, а потери тепла из-за избыточных трубопроводов и ветра могут быть значительными.

НЕДОСТАТОЧНОЕ ХРАНЕНИЕ

Солнечные энергетические системы, которые не планируют аккумулировать тепло, когда солнце не светит, будут иметь ограниченную ценность. Большинство зданий мало нуждаются в тепле, когда светит солнце.Вы не можете просто добавить солнечные коллекторы к котельной.

Не делай бомбу!

С уважением относитесь к солнечной энергии. Обычный солнечный коллектор с плоской пластиной может генерировать температуру до 270 ° F, что может привести к превращению воды в пар. Высокотехнологичные высокотемпературные коллекторы (которые мы не рекомендуем) могут генерировать температуру до 400 ° F. Вам необходимо спланировать застой солнечных коллекторов в условиях полного солнца и иметь безопасные меры для предотвращения перегрева.Солнечные системы отопления должны выходить только из безопасного состояния (безотказного). В конструкциях Radiantec в качестве теплоносителя используется антифриз. Антифриз закипает при более высокой температуре, чем вода.

Никого не ошпаривать горячей водой!

В арматуру нельзя подавать воду с высокой температурой. Вода при температуре 140 ° F может вызвать ожог третьей степени всего за три секунды. Используйте очень надежные клапаны для защиты от ожогов и установите водоотделитель U-типа таким образом, чтобы горячая вода не поднималась по трубе подачи холодной воды под действием силы тяжести.Рассмотрите возможность использования небольшого отдельного резервного резервуара для горячей воды для бытового потребления, который следует за резервуаром для хранения солнечной энергии. Эта конструкция очень эффективна и безопасна, поскольку предотвращает резкие перепады температуры в приборе.

Не создавать опасности для здоровья!

Вода, которая будет использоваться для потребления человеком, не должна застаиваться в течение продолжительных периодов времени в занятом здании. Не должно быть «тупикового конца» или участков трубы, которые не текут при нормальной эксплуатации.

Никого не травить!

Если вы используете автомобильный антифриз, убедитесь, что клапаны сброса давления опускаются в канализацию, а не на пол. Домашние животные его будут пить. Даже «нетоксичный» антифриз не обязательно будет вам полезен после того, как он долгое время находился в системе. В резервуарах для хранения солнечной энергии, поставляемых Radiantec, используются теплообменники с двойными стенками и вентиляцией для максимальной защиты.

Чрезмерная простота

Все должно быть сделано как можно проще, но не проще. -Альберт Эйнштейн

Несмотря на общие достоинства простоты, мы не должны поступаться безопасностью или механическими характеристиками. Если что-то может случиться, это когда-нибудь случится, и солнечные системы отопления должны быть рассчитаны на весь срок службы здания. Чтобы обеспечить долгий срок службы и безопасность, предусмотрите возможность застоя, перегрева, замерзания и коррозии.

Мы приглашаем вас изучить этот веб-сайт и нажать «Следующий шаг», если вам нужна дополнительная информация.

Наши специалисты по солнечной энергии всегда готовы ответить на вопросы.

Звоните 1-800-451-7593

Проекты 7 солнечных водонагревательных систем

Майкл Хаклман
Выпуск № 65 • Сентябрь / октябрь 2000 г.

(Роб Харлан — генеральный подрядчик и подрядчик по солнечной энергии с 25-летним опытом работы с системами солнечного нагрева воды в округе Мендосино, Калифорния.Сегодня Роб в основном проектирует и устанавливает фотоэлектрические системы.)

MH: Роб, расскажете ли вы вкратце историю проектирования и внедрения систем солнечного водяного отопления за последние 30 лет?

Rob: Солнечные водонагревательные системы получили настоящий импульс в 1970-х годах, когда государственные и федеральные программы предоставили налоговые льготы, чтобы помочь людям сделать инвестиции. Эти системы предназначались в первую очередь для горячего водоснабжения, т. Е. Душа, мытья посуды, приготовления пищи и стирки одежды.Они также были популярны для нагрева воды в бассейнах и джакузи. Это движение замедлилось до черепашьей скорости, когда закончились налоговые льготы.

MH: Насколько я помню, многие производители также исчезли, когда исчезли налоговые льготы. Конечно, некоторые из этих систем были плохо спроектированы, использовали дешевые компоненты или не имели надлежащей защиты от замерзания, перегрева или коррозии. Я знаю, что вы модернизировали солнечные водонагревательные системы на протяжении многих лет или старые системы в домах и на предприятиях в пользу более новых конструкций.Что вы думаете о дизайне и оборудовании 30 лет назад?

Роб: Некоторые проекты действительно были ошибочными — плохо реализованы, слишком сложны или включали непроверенные идеи. Тем не менее, даже хороший дизайн требует некоторого ухода. Недостаток квалифицированного обслуживающего персонала и запчастей приводил к выходу из строя некоторых систем. Солнечные коллекторы этих систем на самом деле довольно прочные и часто возвращаются в новые установки, которые продаются «как есть» или используются. Сегодняшние производители солнечных водонагревательных систем и компонентов извлекли пользу из уроков, извлеченных давно.Ситуация возвращается в устойчивый ритм с производством различных типов систем. Большинство из них обладают хорошей надежностью, имеют гарантию и, как правило, соответствуют проверенным временем конструкциям.

MH: Существует несколько основных частей большинства солнечных водонагревательных систем (рис. 2): коллектор (и), накопительный бак, теплоноситель и соединительный трубопровод. Коллектор улавливает солнечные лучи и преобразует их в тепло, которое передается в резервуар для хранения с помощью жидкости, такой как вода или антифриз.Расширительный бак используется в закрытых системах для компенсации небольших изменений объема, возникающих при нагревании и расширении воды или антифриза. Если используется гликоль (нетоксичный жидкий антифриз), необходим теплообменник для передачи тепла от коллектора к воде, которая будет выходить из крана. Предохранительный клапан T&P (температура и давление) — это обычное предохранительное устройство, которое находится в верхней части водонагревателей. Если вода становится горячее, чем должна, или система создает слишком большое давление, этот клапан откроется, выпуская воду до тех пор, пока температура или давление не упадут до более безопасного уровня.Простейшая система управления отключает резервную систему отопления (газ или электричество) в светлое время суток, давая возможность солнцу нагреть всю воду в накопительном баке.

Rob: И — в активных системах контроллер включает и выключает насос при наличии солнечного тепла. Давайте определим несколько терминов, используемых для описания этих систем — активный против пассивного, открытый против закрытого. Активная система — это система, в которой для перемещения тепла используются насосы. Пассивная система — это система, которая не содержит насосов, а полагается на естественную конвекцию, теплопроводность или излучение для перемещения тепла.Открытая система означает, что вода, циркулирующая через коллектор, представляет собой ту же воду, которую вы используете в душе (рис. 3). В закрытой системе отдельная нагретая жидкость циркулирует из коллектора через небольшой контур, который включает теплообменник, обычно расположенный в резервуаре для хранения (рис. 4).

MH: Я понимаю, почему некоторые люди предпочитают пассивный дизайн активному. Для насосов, элементов управления, реле и клапанов с электроприводом требуется электричество. Электричество — это очень специализированная и сложная форма энергии.Люди, которые живут в сельской местности за пределами сети, знают, что такое роскошное электричество. Мы знаем, что это роскошь, потому что производить ее дорого. И очень дорого делать много. Выход за пределы сети — это шок для людей, которые большую часть своей жизни прожили с энергоснабжением. Конструкция с пассивным солнечным отоплением для горячего водоснабжения или обогрева дома требует небольшого количества электричества или совсем его не требует. Меньше деталей, меньше ошибок, меньше денег, которые нужно выкинуть из бумажника. С пассивным — все дело в дизайне.Считавшееся экспериментальным в 1970-х годах, пассивное солнечное отопление зарекомендовало себя во всем мире в широком диапазоне климатов. Говоря о климате, зачем кому-то выбирать закрытую систему, а не открытую?

Роб: Защита от замерзания. Если вода в коллекторе замерзнет, ​​разорвется труба или коллектор. Он грязный, сливает горячую воду, и его нужно ремонтировать. Вам не обязательно жить в месте с сильными морозами. Вода в коллекторе под открытым небом может фактически замерзнуть, когда температура окружающего воздуха достигает 40 градусов по Фаренгейту.Это состояние называется излучением ночного неба.

MH: Между прочим, замерзшая вода может разорвать пластиковый, металлический, стеклянный или каменный контейнер по двум причинам. На самом деле это просто свойства воды. Во-первых, вода практически несжимаема. Во-вторых, вода немного расширяется, когда она превращается из жидкости в твердое тело. Вода, неподвижная внутри небольшой трубки или трубы и подвергшаяся замораживанию, затем начнет расширяться, превращаясь в лед. Неспособный сжаться, он увеличивает объем, разбивая все, что в нем содержится.

Роб: Верно. Фактически, различные стратегии, используемые для борьбы с возможностью замораживания, определяют основные типы систем и их относительную сложность. Я разделил существующие системы на семь типов: встроенный коллектор / накопитель, термосифон, трехсезонный, обратный дренаж, дренаж, рециркуляция и активный замкнутый контур.

MH: Опишете ли вы их все сначала в целом, а затем оцените их достоинства и недостатки на собственном опыте?

Роб: Буду рад.Прежде всего, я должен сказать, что мой опыт использования солнечной горячей воды ограничен моей зоной обслуживания (прибрежная северная Калифорния), где довольно мягкий климат с периодическими замораживаниями света. Я прошу ваших читателей помнить об этом, когда я говорю о различных системах.

1. Встроенный коллектор / накопитель — это самый простой и исторически самый старый тип солнечной системы водяного отопления. Покрасьте резервуар в черный цвет, поместите его в большой ящик, заизолируйте его со всех сторон, кроме покрытой стеклом или пластиком, и направьте на солнце.Вода в баке нагревается непосредственно солнцем и хранится в том же блоке. В торговле это также известно как система хлебного типа. Примером изготовленного устройства такого типа является Servamatic ™. Произведенные в 1970-х годах, многие из них работают до сих пор. Тот же принцип можно увидеть в сегодняшнем устройстве ProgressiveTube ™ (рис. 5). Это также линейные блоки, расположенные между колодцем и душем. Вы получаете столько горячей воды, сколько собирают и хранят.

MH: Эта конструкция также популярна в бытовых домах.Просто, дешево и часто изготавливается из переработанных материалов. Однажды я принял душ на ранчо, которое посетил, из воды, нагретой в длинном тонком 20-галлонном резервуаре внутри старого большого холодильника с прозрачной крышкой, направленной на юг. Я принял долгий горячий душ на холодном ночном воздухе. Хороший опыт.

Роб: Мне очень редко приходилось обслуживать целостную систему коллектора / хранилища, что свидетельствует об их долговечности.

2. Термосифонная система — еще один способ солнечного нагрева воды (рис.6). Солнечный свет падает на трубы и ребра внутри коллектора, по которым циркулирует вода или гликоль. Вход и выход коллектора подсоединены к входу и выходу накопительного бака, соответственно. Если бы мы говорили об электричестве и полярности, мы бы сказали, что коллектор параллелен резервуару для хранения. Тем не менее, он образует петлю. Нагретая жидкость перемещается из коллектора в резервуар для хранения и обратно в коллектор посредством процесса, называемого термосифоном. Это естественное конвективное действие.Если вы подключили это как открытую систему, резервуар для хранения мог бы быть вашим собственным водонагревателем.

MH: Я хотел бы уточнить несколько вещей, которые вы сказали. Термосифон возникает, когда вода, нагретая в коллекторе, расширяется и поднимается, подталкивая более холодную воду в остальной части контура к течению. Более холодная вода выталкивается из нижней части резервуара в нижнюю часть коллектора. Как только начинается кровообращение, процесс не ослабевает весь день.

Подобно тому, как солнце нагревает воду в коллекторе, ночное небо может охлаждать коллектор, вызывая обратный поток.Думаю об этом. Вода в коллекторе охлаждается за счет ночного застоя. Холодная вода тяжелее и тонет, толкая весь контур в обратный поток, перемещая более теплую воду из бака в коллектор, который, в свою очередь, охлаждается. Это быстро избавит вас от с трудом заработанной горячей воды.

Самый простой способ избежать этого — расположить нижнюю часть резервуара над верхней частью коллектора (рис. 6). Это физический трюк, который предотвратит обратный поток. Иногда невозможно поднять бак над коллектором.Термосифон будет работать, даже если резервуар расположен на уровне коллектора или даже немного ниже него. В этом случае добавление обратного клапана предотвратит обратный поток (рис. 7). Избегайте использования стандартного обратного клапана давления. Он слишком устойчив к потоку термосифона. Вместо этого используйте обратный клапан гравитационного типа. Поднимите его под углом к ​​водопроводу, чтобы давление открывалось минимальным, а при закрытии — минимальным обратным потоком.

Сам по себе солнечный коллектор для многих является загадкой, и я получаю много вопросов по этому поводу.Обычная конфигурация использует коробку, решетку из водяных трубок, изоляцию и стеклянное или пластиковое остекление (рис. 8). Ящик представляет собой большую неглубокую кастрюлю, дизайн которой может быть меньше и больше по ширине и длине, чем у стандартного листа фанеры размером 4х8 футов и глубиной 4-6 дюймов. В промышленных конструкциях ящики используются из нержавеющей стали или алюминия, но в большинстве бытовых приборов используется фанера. Если они правильно приклеены, прикручены и герметизированы от непогоды, они будут прочными.

Самодельные конструкции начинаются с листа фанеры 4 × 8 футов толщиной ½ или ¾ дюйма.Из него (или другого листа фанеры) вырежьте по две полосы по 4-6 дюймов с каждого измерения, чтобы обеспечить материал для четырех сторон коробки. Медные коллекторные трубы большого диаметра (от 1½ дюйма до 2 дюймов) в верхней и нижней части коллектора ориентированы горизонтально и соединены по водопроводу с меньшими вертикальными трубами (например, трубкой 1/2 дюйма), расположенными на расстоянии 3-6 дюймов друг от друга. Оловянные или медные ребра или лист механически и термически соединяются с трубками различными способами. Трубки и ребра черняют краской или с помощью электрохимических процессов.Добавляются фитинги для подключения к внешней сантехнике или другим коллекторам. Изоляция из листового пенопласта добавляется сзади и со всех сторон этого узла, когда он установлен в коробке.

Стекло, стеклопластик для теплицы или другое полупрозрачное пластиковое остекление добавляется в комплект. Стекло доступно в различных размерах, особенно если оно переработано. Устойчивое к ультрафиолету (ультрафиолетовому) излучению стекловолокно доступно в местных строительных магазинах различной ширины. Не обременяйте себя пластиками, которые кристаллизуются в течение одного или двух сезонов под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца.Сначала выберите свое остекление. Наилучшие экономические результаты достигаются, когда размер коробки соответствует тому стеклу, которое у вас уже есть или которое вы можете получить.

Rob: Я не хочу поддерживать строительство собственных коллекторов, учитывая наличие бывших в употреблении коллекторов. Если вы строите самостоятельно, не используйте алюминиевые амортизирующие пластины. Они плохо отреагируют на медные трубки. Кроме того, любые стыки внутри коллектора лучше всего припаять серебром. Коллектор испытывает большие перепады температуры. Это сложно для стандартных паяных соединений.

MH: Действительно, опыт создания собственного коллектора обычно дает представление о том, насколько на самом деле недороги бывшие в употреблении коллекторы. Итак, моя рекомендация энтузиастам-самоделкам: не создавайте целую кучу коллекторов, не построив сначала.

Rob: Еще несколько комментариев по термосифонированию. Если вы используете термосифон с водой и живете в климате с отрицательными температурами, ваш коллектор замерзнет и лопнет.Иногда в таких системах устанавливаются клапаны пассивной защиты от замерзания. Часто называемые клапанами Dole, они предназначены для открытия при заданной температуре, 34 ° F или 45 ° F. С них капает вода, чтобы создать поток через коллектор и, таким образом, предотвратить замерзание. По моему опыту, эти клапаны ненадежны, поэтому я не могу их рекомендовать.

MH: Я лично не использовал клапаны Dole, но знаю, что некоторые люди в этом районе, в том числе Стивен Хеккерот, действительно доверяют им и используют их. Однако я также понимаю, что клапаны Dole необходимо периодически проверять и чистить.Если вы относитесь к тому типу людей, которые плохо разбираются в регулярном обслуживании, вам лучше выбрать другую систему.

Rob: Если вы живете в климатической зоне без отрицательных температур, хорошо подойдет открытая термосифонная система. Если нет, все же рекомендую использовать гликоль и теплообменник для контура термосифона.

3. Трехсезонная система — еще одна тактика борьбы с замораживанием. Идея состоит в том, чтобы использовать солнечную систему нагрева воды в течение трех сезонов и осушать ее в течение четвертого сезона.Это может быть термосифон или насосная система, предполагающая, что владелец будет использовать другой источник энергии для нагрева воды.

4. Обратный сток — еще один вид солнечной системы нагрева воды (рис. 1). Это сливает воду из панелей в резервуар, когда нет тепла от солнца. Таким образом, на панелях нет воды и они не могут замерзнуть. Без давления бака используется для захвата этой воды, и насос наполняет панель, когда тепло солнца обнаружено.

5. Drain-down — это вариант солнечной водонагревательной системы с обратным сливом.Здесь вода сливается на землю. Это довольно распространенная конструкция, особенно в старых системах. Он использует клапан Sunspool ™ для заполнения панелей для работы. Тот же самый клапан, когда он достигает более низкой температуры, открывается, чтобы слить воду, которая находится в панелях, на землю.

6. Другой тип солнечной системы нагрева воды — это рециркуляция. Этот метод защиты от замерзания активирует насос для циркуляции небольшого количества горячей воды из резервуара для хранения обратно в панели при низких температурах окружающей среды.

7. Активный замкнутый контур — последний тип солнечной системы водяного отопления в моем списке (рис. 9). В этой конструкции используется любая жидкость в контуре от коллектора до накопителя, которая не замерзает при низких температурах, которые могут возникнуть в системе. Тепло, собранное в коллекторе, передается воде в накопительном баке через теплообменник. Какие жидкости не замерзают? Я видел системы, использующие гликоль, силиконовое масло и метанол. Автомобильный антифриз может показаться хорошим кандидатом, но он ядовит.Самым популярным теплоносителем является полипропиленгликоль, наполнитель теста для пищевых продуктов, используемый в хлебопекарной промышленности. Он стоит около 20 долларов за галлон и смешивается с водой. 10% -ная смесь защитит коллекторы до 20-25 ° F. Отношение гликоля к воде увеличивается при более низких температурах. Я использую смесь 50/50 в своей зоне обслуживания.

Об использовании чистой воды в солнечной системе нагрева воды можно многое сказать. Вода нетоксична, широко доступна и дешева. Кроме того, это наиболее эффективный теплоноситель, который не разлагается при использовании.Гликоль также не токсичен, но со временем разрушается. Под воздействием высоких температур он становится кислым и со временем начнет разъедать вашу сантехнику. Итак, гликоль нужно периодически проверять. Я использую лакмусовую бумажку, чтобы проверить его pH. Обновить систему новой водно-гликолевой смесью довольно просто.

Между прочим, есть некоторые типы систем, которые не попадают ни в одну из этих семи категорий.

Популярный Copper-Cricket ™ — один из примеров. В этой системе использовалась смесь 20% метанола под вакуумом, чтобы фактически «перекачивать» нагретую жидкость в резервуар для хранения без насоса.Он работает по тому же принципу, что и перколятор для кофе, для передачи тепла. Другой пример — семейство солнечных тепловых коллекторов Sun ™. В них используются колонны откачанных трубок для сбора и передачи тепла.

Есть и более простые вещи. Некоторые люди просто накручивают пластиковую трубу спиралью на землю, чтобы предварительно нагреть воду, которая поступает в их стандартный водонагреватель. Это работает, но если внезапное замораживание не испортит ее, то долгосрочное воздействие солнечных лучей на пластиковую трубу будет.

MH: Более мягкая и гибкая черная пластиковая трубка, о которой вы говорите, обозначается как полиэтиленовая или полиэтиленовая трубка.Ультрафиолетовое излучение солнца разрушает любой пластик, разрушая связи полимеров и делая пластик хрупким. Черные трубки, продающиеся в рулонах, не предназначены для работы под прямыми солнечными лучами и повышенных температур. Горячая вода, особенно с мягкой водой, также выщелачивает стабилизаторы и цемент для стыков из труб. Это отлично подходит для душа, но вы не хотите пить эту воду или готовить на ней.

Роб: Если я заметил одну вещь, так это то, что большинство людей, создающих свою собственную систему, пытаются заново изобрести колесо, и их конструкции иногда отражают непонимание основных принципов.Имея хорошие планы, большинство людей могло бы построить хорошую систему. Тем не менее, многие люди не хотят этого делать сами.

MH: Я предпочитаю создавать свою собственную систему, но должен признать, что часто переоценивал свою способность быть там, когда система действительно нуждалась во мне. Роб, не могли бы вы вернуться к списку систем и поделиться своими мыслями о преимуществах и недостатках каждого типа?

Rob: Интегрированная система коллектора / накопителя имеет преимущества низкой стоимости, простоты и отсутствия насосов или средств управления.Даже самодельные версии долговечны. Резервуар имеет достаточную тепловую массу, чтобы избежать замерзания, за исключением мест с сильной заморозкой. Недостатки? Эта конструкция относительно неэффективна, и вода часто не достигает очень высокой температуры, потому что отношение количества стекла к массе в системе типа хлебных коробок невелико. Потери тепла из коллектора высоки в ночное время, поэтому определенно существует время оптимального использования производимой горячей воды, обычно днем ​​и вечером. Комбинация коллектор / резервуар тоже тяжелая.Заполненный, он может достигать 650 фунтов и облагаться налогом на неармированную крышу.

Более новые коллекторы ProgressiveTube ™ этого типа (рис. 5) просты и используют 4-дюймовые медные трубки и ребра со специальными «селективными» поверхностями. Они извлекают больше солнечной энергии, чем почерневшие поверхности, и сопротивляются повторному излучению этой энергии ночью. Я рекомендую системы ProgressiveTube ™ для моей климатической зоны.

Термосифонная система имеет преимущества простоты и хорошего КПД. Он не требует электричества и, следовательно, не зависит от отключения электроэнергии.Одним из недостатков термосифонного потока является то, что водопровод должен следовать строгим правилам — трубы большего диаметра, плавные повороты, отсутствие углублений и ограничительных клапанов — для обеспечения плавного, неограниченного потока. Воздушный карман на высоком месте или большой пузырь где-то в системе остановят поток термосифона.

MH: Хочу добавить в ваши комментарии по термосифону. Я обнаружил, что это изящный и естественный способ передачи тепла от коллектора к хранилищу или использованию. Водоснабжение в сельской местности может съесть большую часть энергетического пирога любого человека.Благо является любой процесс, который перекачивает воду и содержащееся в ней тепло по трубе без внешнего источника энергии. Но — термосифон не потерпит плохой планировки или небрежной установки. Он хочет свободного, неограниченного движения. Даже обратный клапан должен быть гравитационного типа, а не напорного, чтобы не стать ограничивающим.

Испытания показали, что термосифон не запускается, пока коллектор не достигнет критической температуры (рис.10). Поток начинается быстро, замедляясь до более постоянной скорости.Пузырь, достаточно большой, чтобы заблокировать трубку, немедленно остановит поток. Коллекторы могут быть достаточно горячими, чтобы продуть клапан T&P, но по-прежнему нет потока. Приятно видеть, как вода и пар взлетают в воздух, но, увы, не очень продуктивно. Трубы с крутым уклоном обеспечат хороший поток.

Я знаю, что в системах излучающих полов используются линейные центробежные насосы для периодической очистки контуров термосифона от пузырьков воздуха. Теоретически термосифон может проталкивать воду через насос, когда он выключен.У насоса есть и другое применение. Это позволяет владельцу накачать больше тепла в пол из хранилища в ночное время.

Я добавил небольшой продувочный насос к одной термосифонной системе в 1970-х годах. Я хотел использовать в первую очередь термосифон, но система включала в себя существующую водопроводную систему — естественно недоступную — и поток термосифона все время блокировался пузырьками. Я добавил небольшой 12-вольтовый насос параллельно с обратным клапаном (рис. 11), чтобы время от времени продувать систему с более высокой скоростью потока. Я использовал поршневой насос, чтобы избежать протекания жидкости через насос, когда он выключен.

Роб: Я пойду. Преимущество трехсезонной системы заключается в использовании существующего водонагревателя в качестве резервного, она недорога и требует лишь небольшого насоса. Недостатки в том, что он подвержен замерзанию и зависит от того, будет ли хозяин осушать его в холодную погоду. Существует общий предел размера этой системы, когда она подключена к водонагревателю определенной мощности.

Система обратного слива (рис. 1) относительно проста, универсальна и устойчива к замерзанию.Бак, используемый в этом типе системы, долговечен и требует небольшого обслуживания. Во время отключения электроэнергии (или другого отключения электричества в системе) панели пусты и не будут перегреваться. Можно даже настроить систему так, чтобы термосифон передавал тепло вашему водонагревателю. Недостатки наиболее очевидны в автономных системах, где энергия, используемая при перекачке, относительно высока. Это связано с тем, что насос должен быть рассчитан на ежедневное наполнение коллекторов, а не просто для циркуляции воды через них.Также резервуар должен располагаться под панелями, чтобы сливаемой обратно воде было куда уйти. Это мой любимый выбор из систем для холодного климата.

Дренажная система обладает достоинствами высокой эффективности и является устойчивой к замерзанию. В нем используется небольшой насос с небольшим энергопотреблением. Недостатки? Множество дорогих запчастей, включая сложный контроллер, и необходимость периодического осмотра и обслуживания. Однако в любом приложении с ограниченным запасом воды ежедневный сброс воды из коллекторов на землю будет проблемой.

Преимущество системы рециркуляции заключается в использовании стандартного водонагревателя в качестве накопительного бака. И он защищен от замерзания, если система небольшая. Его недостаток состоит в том, что он тратит много энергии. Если действительно холодно, резервная система отопления, скажем, электрический элемент, должна нагревать воду, которая просто излучается из коллектора со значительной скоростью.

Активная замкнутая система (рис. 9) устойчива к замерзанию и содержит качественные компоненты. Одним из недостатков является то, что он сложный, то есть в нем есть насосы, клапаны и различные элементы управления.Бак с теплообменником стоит дорого, но добавляет в систему много полезной, хорошо изолированной тепловой массы. При питании от электросети насос не будет работать во время отключения электроэнергии.

MH: Есть смысл в том, что, если система зависит от электричества, электричество также должно вырабатываться за счет солнца. Если есть солнце для коллекторов, есть солнечный свет, который вырабатывает электричество для питания насоса и отвода тепла.

Во всех этих системах, если коллекторы перегреваются, предохранительный клапан T&P обеспечит защиту.Есть обратная сторона с выдуванием клапана T&P. Во-первых, он выделяет много горячей воды, поскольку клапан не закроется, пока не упадут и температура, и давление. И, во-вторых, сброс теплоносителя может быть дорогостоящим, если это смесь гликоля и воды.

Я хочу поблагодарить вас, Роб, за то, что вы убедили меня в том, что производится предохранительный клапан P-типа (только для давления). Я хочу использовать один из них в моей следующей установке. Я подозреваю, что это не позволит системе вылить всю горячую воду, так как она должна закрываться так же быстро, как сбросится давление.Трубы в коллекторе могут выдерживать тепло, но им труднее выдерживать давление.

Роб: Думаю, моя критика преимуществ и недостатков этих систем раскрывает мою предвзятость. Как правило, я обнаружил, что при использовании солнечной горячей воды чем проще, тем лучше. Простые системы, как правило, служат дольше.

MH: Смещение? Я ценю ваш отзыв и совет. Я многому научился. Опишите, как вы подбираете систему для приложения и сопоставляете компоненты друг с другом?

Роб: Практически каждая система горячего водоснабжения имеет резервную копию.Я рассчитываю на использование солнечной энергии на 70%. Семья из четырех человек — это хороший стандарт. Два коллектора 4 × 8 футов будут обеспечивать потребности в горячей воде четырех человек. Размер резервуара должен соответствовать массиву. В моем климате я обнаружил, что 1,8 галлона жидкости на квадратный фут коллектора — хорошее соотношение. Таким образом, для двух коллекторов площадью 32 квадратных фута каждый потребует резервуар для хранения емкостью 115 галлонов. Я обнаружил, что для теплых полов площадь коллектора должна составлять около 10% от площади пола. Таким образом, те же два коллектора 4 × 8 футов будут обрабатывать около 650 квадратных футов сияющего пола.

MH: Какова средняя стоимость нагрева воды электричеством, пропаном и природным газом для семьи из 4 человек?

Роб: Да. При использовании электроэнергии по цене 12 центов за кВтч стоимость нагрева воды составляет около 46 долларов в месяц или 551 доллар в год. Пропан по цене 1,41 доллара за галлон стоит около 26 долларов в месяц или 307 долларов в год. Природный газ и мазут дешевле, как и электричество в других частях страны. Конечно, после установки солнечной системы водяного отопления и возврата вложенных средств энергия от нее будет бесплатной.

MH: Не могли бы вы дать мне представление о том, сколько времени потребуется, чтобы окупить стоимость нескольких из этих систем на основе этих ставок?

Роб: У меня тоже есть эта информация. Во-первых, позвольте мне сказать, что эти цифры не включают стоимость обслуживания, рост стоимости коммунальной электроэнергии, упущенный интерес к инвестициям и налог на сбережения. По моему опыту, они уравновешивают друг друга.

Новая интегрированная система коллектора / хранения, использующая конструкцию ProgressiveTube ™, будет стоить около 2 500 долларов США за детали и труд для установки.Через 7,3 года стоимость системы будет равна стоимости электроэнергии для нагрева той же воды в течение этого времени. С пропаном — около 13 лет. Если владелец устанавливает систему, стоимость составляет около 1600 долларов. Срок окупаемости составляет 4,8 года при предотвращении затрат на использование электроэнергии и 8,7 года при использовании пропана.

Новая дренажная система стоит 3500 долларов за детали и труд. Это равно 8,5 годам электроэнергии и 15,2 годам пропана для горячего водоснабжения. Система, которая будет нагревать джакузи, будет стоить около 4800 долларов.При электрическом обогреве срок окупаемости составляет 7,5 лет.

MH: По моему опыту, люди, которые устанавливают свои собственные солнечные водонагревательные системы, обычно начинают с подключения одного коллектора к существующему водонагревателю. Если вы принимаете душ по утрам, каков обычный метод предотвращения использования в водонагревателе электричества или пропана для подогрева воды до того, как солнце сможет выполнить эту задачу?

Rob: В электронагревателе это просто.Можно установить 24-часовой таймер для отключения резервного обогрева в светлое время суток. Владелец может вручную отключить таймер с помощью переключателя во время плохой погоды или необычно высокого спроса. Для нагревателя на пропане или природном газе поверните газовый клапан в положение пилота.

MH: Существует также правильный способ подсоединить солнечный коллектор к стандартному водонагревателю. В современных водонагревателях вход для холодной воды и выход для горячей воды расположены в верхней части бака. Холодная вода, поступающая в резервуар, фактически падает через трубку внутри водонагревателя, которая заканчивается чуть выше дна резервуара.Для термосифонного потока это не лучший вариант; вы хотите, чтобы возврат холодной воды в коллектор выходил прямо со дна бака (рис. 12). Благо, в водонагревателях есть сливной вентиль. Есть способ перестроить этот водопровод (рис. 13) так, чтобы коллектор использовал это отверстие для своей термосифонной петли, в то время как вы сохраняете возможность слить воду из бака.

Если кто-то хотел собрать свою собственную солнечную водонагревательную систему, что может быть хорошим источником информации и запчастей, помимо библиотеки и Интернета?

Rob: Прекрасно подробный обзор солнечных систем горячего водоснабжения, в комплекте со схемами и технической информацией, можно найти в Руководстве по проектированию и установке солнечной воды и подогрева воды в бассейне Центра солнечной энергии Флориды по телефону (407) 783-6300.Triple A Solar в Альбукерке, штат Нью-Мексико (800-245-0311) продает бывшие в употреблении солнечно-тепловые коллекторы по хорошим ценам. Проверьте местные источники использованных панелей, чтобы избежать затрат на доставку. Six Rivers Solar (816 Broadway, Eureka, CA 95501) по адресу (707) 443-5652 продает высококачественный прямоугольный резервуар для хранения тепла, который объединяет входы и выходы коллекторов, дополнительных источников тепла, ГВС, теплых полов и гидромассажных ванн. (Рисунок 1).

Роб Харлан, Mendocino Solar Services, 42451 Road 409, Mendocino, CA 95460

Michael Hackleman, PO Box 327, Willits, CA 95490.Электронная почта: [email protected]

Сравнение конструкции и производительности солнечных воздухонагревателей

В моем последнем посте «Солнечное тепло: бесплатно для принятия» я рассмотрел некоторую справочную информацию о том, как использовать солнечную энергию для обогрева дома . Создание солнечного воздухонагревателя — это простой и полезный проект как для начинающих, так и для опытных мастеров-мастеров , и существует множество различных конструкций и планов — просто спросите мистера Google.

Самым популярным и гибким проектом солнечных нагревателей своими руками является автономный блок , который можно прикрепить к стене или крыше для дополнительного обогрева.Сегодня я собираюсь рассмотреть 4 самых популярных варианта этих устройств. И благодаря Gary & Scott , паре преданных энтузиастов солнечной энергии, я могу поделиться кратким обзором сопоставимой производительности, которую вы можете ожидать от этих устройств.

Основы дизайна

Все эти устройства имеют общие характеристики, и может быть построен с использованием основных электрических и ручных инструментов . Многие из самодостаточных солнечных воздухонагревателей, которые я встречал, основаны на раме 4 x 8 футов, хотя другие размеры могут быть столь же эффективными в зависимости от вашего конкретного дизайна и места.

Во всех случаях это ключевые характеристики :

• Рама — Рама обычно изготавливается из пиломатериалов 1 x 6 или 2 x 6. Внутренняя глубина обычно составляет от 3 до 4 дюймов в зависимости от конструкции.
• Изолированная задняя часть — Здесь может теряться большая часть тепла. Рекомендуется от 1 до 2 дюймов полиизоцианурата. Боковая изоляция немного менее важна.
• Matte Black Interior — Все внутренние поверхности должны быть окрашены термостойкой матовой черной краской для поглощения как можно большего количества солнечного тепла.
• Солнечный поглотитель — это сердце устройства. Поглотитель собирает тепло, которое передается воздуху, проходящему через нагретые поверхности.
• Впуск / выпуск воздуха — Более холодный воздух входит в агрегат (обычно снизу) и после забора тепла от абсорбера выходит через верхнюю часть агрегата. Это происходит либо в результате естественного процесса (термосифонирование), либо при помощи вентилятора с термостатическим управлением.
• Остекление — Передняя часть устройства закрыта прозрачным материалом, чтобы солнце освещало поглотитель солнечной энергии и повышало внутреннюю температуру.Типичными материалами остекления являются поликарбонат (лексановый или двухслойный), акрил или закаленное стекло.

Солнечный абсорбер

При прочих равных, материал солнечного поглотителя и воздушный поток внутри «коробки» — это то, чем отличаются конструкции, представленные ниже. Это может иметь большое влияние на эффективность и действенность устройства в целом. Поиск правильного сочетания тепла и пропускной способности воздуха может потребовать некоторых экспериментов. Солнечный нагреватель, который может перемещать много воздуха 120F, более эффективен, чем воздух 160F, движущийся слишком медленно. Высокая внутренняя температура приводит к большим потерям тепла через остекление. . Скорость вентилятора и размер воздуховода влияют на воздушный поток.

В описанных ниже конструкциях не показан вентилятор, который обычно расположен на выпускном конце, чтобы втягивать воздух через устройство. Рекомендуется использовать в какую-либо заслонку для автоматического закрытия выпускного отверстия , когда внутренняя температура блока опускается ниже комнатной температуры , чтобы избежать обратного сифона теплого воздуха в блок .Слой легкого пластика хорошо закрывает отверстие, если на выходе есть металлическая ткань. Хотя эти устройства показаны наклоненными к солнцу, они также могут быть установлены вертикально в северных широтах.

Обратный проход Тип

Коллектор обратного хода существует уже давно, и существует несколько вариантов конструкции. Основная идея состоит в том, что воздух нагревается, когда он движется вверх за нагретым поглотителем солнечной энергии . Можно добавить чередующиеся перегородки, чтобы замедлить или прервать воздушный поток, чтобы увеличить теплопередачу.

Некоторые системы обратного прохода, устанавливаемые на окно, позволяют холодному внутреннему воздуху проходить через изолированную камеру в задней части. Воздух нагревается по мере подъема, проходя за поглотителем солнечной энергии. Поглотитель также может быть расположен так, чтобы воздух мог проходить с обеих сторон. для большего контакта с поверхностью. Нагретый воздух выходит из верхней части устройства.

Двойной экран Тип

Коллектор экрана — еще один распространенный тип, который часто используется, и это , самый простой и дешевый в сборке .Экран с черной сеткой обеспечивает много контактной поверхности для передачи тепла движущемуся воздуху, при этом добавляя очень небольшое сопротивление воздушному потоку . В большинстве случаев экран наклонен внутри коробки, поэтому экран находится ближе к остеклению в верхней части устройства. Слой черной оконной сетки может быть прикреплен к каждой стороне деревянной рамы и установлен внутри коробки.

В тестах, проведенных Гэри и Скоттом, оказалось, что не обнаружило заметной разницы в характеристиках между металлическим и стекловолоконным материалом оконного экрана .Как и в случае со всеми солнечными нагревателями, старайтесь держать как можно больше воздуха подальше от остекления, чтобы уменьшить потери тепла .

Алюминиевый потолок тип

Алюминиевый поглотитель потолка, по сути, представляет собой разновидность поглотителя экрана и работает по тому же принципу. Поглотитель солнечной энергии изготовлен из панелей из имеющегося в продаже перфорированного потолочного материала . Панель поглотителя конструируется путем установки планок по периметру внутри коробки, при этом нижняя планка прижимается к задней части устройства, а верхняя — близко к остеклению.Боковые планки проходят по диагонали, образуя непрерывную монтажную поверхность для перфорированного потолка. Восходящий воздух забирает тепло по мере того, как он очищает нагретую поверхность, проходя через перфорационные отверстия и выходя через верхнее вентиляционное отверстие. Стоимость материалов для этого типа выше на по сравнению с поглотителем экрана.

Тип трубки (алюминиевые баллончики или водосточная труба)

Солнечный обогреватель типа «pop can» приобрел популярность в последние годы, и его близкий родственник, использующий алюминиевые водосточные трубы, вошел в эту область.Оба этих коллекционера работают по одним и тем же принципам, поэтому я обращусь к ним вместе. Поглотитель солнечной энергии в этих установках по существу представляет собой серию металлических трубок , через которые проходит воздух, собирая тепло по пути.

Уникальной особенностью коллекторов трубчатого типа является то, что в них используются герметичные камеры повышенного давления сверху и снизу, чтобы направлять воздух через трубки . Воздух поступает в нижнюю камеру статического давления, обычно ближе к центру агрегата. Некоторые строители добавляют дефлекторы, чтобы помочь распределить воздушный поток более равномерно по всем трубам .Поскольку камера герметизирована и изолирована от остекления, воздух может перемещаться только по трубам, забирая тепло с поверхности при движении. Нагретый воздух выходит из трубок в верхнюю камеру , откуда вентилятор вытягивает его в комнату.

Основное различие , которое я вижу между использованием банок и водосточных труб, — это стоимость материалов по сравнению с вашим трудом . Банки для напитков дешевы и их легко собрать, но требуется много работы, чтобы очистить, вырезать верхнюю и нижнюю части, склеить силиконом, а затем покрасить пару сотен из них .Водосточные трубы можно было бы очень быстро и легко вырезать, покрасить и установить в агрегате, но они будут стоить дороже. Я не видел никаких данных сравнения между двумя типами , чтобы увидеть, является ли один более эффективным, чем другой.

Какой тип коллектора более эффективен?

Сравнение эффективности конструкций солнечных нагревателей своими руками — , в лучшем случае, довольно отрывочная область . Каждый строитель использует свои собственные методы измерения температуры, расхода воздуха и КПД, поэтому короткий ответ — никто ДЕЙСТВИТЕЛЬНО не знает .

Положительным моментом является то, что зимой 2010-2011 годов энтузиасты солнечной энергии Гэри Рейса и Скотт Дэвис приложили время и усилия, чтобы провести параллельные сравнительные тесты на нескольких из описанных выше конструкций. Несмотря на то, что Гэри и Скотт живут в разных частях США, они использовали одни и те же материалы и конструкции для своих тестов и получили аналогичные результаты . Вы можете проверить их исчерпывающий сравнительный тест, который включает методологию, графики, тепловизионные изображения и другие подробности на BuildItSolar.com.

Так что же они нашли?

В двух словах:

Тип экрана:

Лучшая производительность в целом, а также самый дешевый и простой в сборке . И Гэри, и Скотт были удивлены и использовали этот дизайн для справки при тестировании других.

Алюминиевый потолок Тип:

Производительность, по сути, связана с эталонным типом экрана — но немного сложнее и дороже в сборке.

Обратный проход Тип:

Высокое падение давления (плохо).От -10 до -20% от эталонного типа экрана. Улучшение возможно через редизайн. (См. Тепловое изображение выше)

Тип трубки — (испытанный алюминиевый водосточный желоб)

При тестировании производительность составляла от -40 до -50% от эталонного типа экрана. Это самый дорогой в сборке, и Гэри почувствовал, что есть возможности для улучшения — в частности, выравнивания воздушного потока по всем трубкам. Будущие тесты, вероятно, покажут улучшенную производительность.

Мои планы солнечных батарей

В течение последнего года или около того я думал, что нагреватель для пластиковых банок был моим лучшим вариантом с точки зрения затрат и эффективности.Изучив результаты тестов Гэри и Скотта, я пересматриваю свой план. Мотивированный превосходными характеристиками, более низкой стоимостью и более простой конструкцией коллектора сетчатого типа , я начал работу над «портативным» поглотителем экрана для решения конкретной ситуации в моем доме.

Как только я закончу и проведу несколько тестов, я поделюсь результатами.

Похожие сообщения на этом сайте :

Портативный пассивный солнечный воздухонагреватель
Солнечное тепло: бесплатно для приема
Земные корабли: устойчивое и самодостаточное проживание
Домашнее солнечное электричество: новые варианты финансирования, делающие его доступным
Дизайн суперизолированного дома
7 Солнечные обогреватели DIY Pop Can
Добавьте гибкости пластиковому окну Комплекты

Изображения: BuildItSolar.com; brianshomebrewsolar;

Связанные

Солнечные водонагреватели | Министерство энергетики

Солнечные водонагреватели — иногда их называют солнечными системами горячего водоснабжения — могут быть экономичным способом производства горячей воды для вашего дома. Их можно использовать в любом климате, а топливо, которое они используют — солнечный свет — бесплатное.

Как они работают

Солнечные водонагревательные системы включают накопительные резервуары и солнечные коллекторы. Существует два типа солнечных водонагревательных систем: активные, у которых есть циркуляционные насосы и средства управления, и пассивные, у которых нет.

Активные солнечные водонагревательные системы

Существуют два типа активных солнечных водонагревательных систем:

• Системы прямой циркуляции
  Насосы обеспечивают циркуляцию бытовой воды через коллекторы в дом. Они хорошо работают в климате, где редко замерзает.
• Системы с косвенной циркуляцией
  Насосы обеспечивают циркуляцию незамерзающего теплоносителя через коллекторы и теплообменник. Это нагревает воду, которая затем течет в дом.Они популярны в климате, склонном к отрицательным температурам.

Пассивные солнечные системы водяного отопления

Пассивные солнечные водонагревательные системы обычно дешевле активных систем, но обычно не так эффективны. Однако пассивные системы могут быть более надежными и могут прослужить дольше. Есть два основных типа пассивных систем:

• Интегральные пассивные системы коллектора-накопителя
  Они состоят из накопительного бака, покрытого прозрачным материалом, позволяющим солнцу нагревать воду.Затем вода из бака попадает в водопровод. Они лучше всего работают в областях, где температура редко опускается ниже нуля. Они также хорошо работают в домохозяйствах со значительными дневными и вечерними потребностями в горячей воде.
• Системы Thermosyphon
  Вода нагревается в коллекторе на крыше и затем течет через водопроводную систему при открытии крана горячей воды. Большинство этих систем имеют емкость 40 галлонов.

Резервуары и солнечные коллекторы

Для большинства солнечных водонагревателей требуется хорошо изолированный накопительный бак.Резервуары для хранения солнечной энергии имеют дополнительный выход и вход, подключенные к коллектору и от него. В системах с двумя баками солнечный водонагреватель предварительно нагревает воду до того, как она поступает в обычный водонагреватель. В системах с одним резервуаром резервный нагреватель совмещен с накопителем солнечной энергии в одном резервуаре.

В жилых помещениях используются три типа солнечных коллекторов:

• Плоский коллектор
  Плоские остекленные коллекторы представляют собой изолированные, защищенные от атмосферных воздействий коробки, которые содержат темную абсорбирующую пластину под одной или несколькими стеклянными или пластиковыми (полимерными) крышками.Плоские неглазурованные коллекторы, обычно используемые для солнечного обогрева бассейнов, имеют темную пластину-поглотитель, изготовленную из металла или полимера, без крышки или корпуса.
• Интегральные коллекторно-накопительные системы
  Также известные как системы ICS или партии , они имеют один или несколько черных резервуаров или трубок в изолированном застекленном ящике. Холодная вода сначала проходит через солнечный коллектор, который предварительно нагревает воду. Затем вода поступает в обычный резервный водонагреватель, обеспечивая надежный источник горячей воды.Их следует устанавливать только в условиях умеренно-морозного климата, поскольку наружные трубы могут замерзнуть в суровую и холодную погоду.
• Солнечные коллекторы с вакуумными трубками
  Они представляют собой параллельные ряды прозрачных стеклянных трубок. Каждая трубка содержит стеклянную внешнюю трубку и металлическую трубку-поглотитель, прикрепленную к ребру. Покрытие ребра поглощает солнечную энергию, но препятствует тепловым потерям. Эти коллекторы чаще используются для коммерческих приложений в США.

Солнечные водонагревательные системы почти всегда нуждаются в резервной системе в пасмурные дни и в периоды повышенного спроса.Обычные накопительные водонагреватели обычно обеспечивают резервное копирование и могут уже быть частью солнечной системы. Резервная система также может быть частью солнечного коллектора, например, резервуары на крыше с термосифонными системами. Поскольку система накопления со встроенным коллектором уже накапливает горячую воду в дополнение к сбору солнечного тепла, она может быть укомплектована водонагревателем без резервуара или водонагревателем по запросу в качестве резервного.

Выбор солнечного водонагревателя

Перед покупкой и установкой солнечной системы водяного отопления необходимо выполнить следующие действия:

Также ознакомьтесь с различными компонентами, необходимыми для солнечных водонагревательных систем, включая следующие:

Установка и обслуживание системы

Правильная установка солнечных водонагревателей зависит от многих факторов.Эти факторы включают солнечные ресурсы, климат, местные строительные нормы и правила и вопросы безопасности; поэтому лучше всего обратиться к квалифицированному подрядчику по установке солнечных тепловых систем.

После установки правильное обслуживание вашей системы обеспечит ее бесперебойную работу. Пассивные системы не требуют особого обслуживания. Для активных систем обсудите требования к техническому обслуживанию со своим поставщиком системы и обратитесь к руководству пользователя системы. Сантехника и другие обычные компоненты водяного отопления требуют того же обслуживания, что и обычные системы.Стекло может потребоваться в сухом климате, где дождевая вода не обеспечивает естественного ополаскивания.

Регулярное обслуживание простых систем может проводиться не чаще, чем каждые 3–5 лет, предпочтительно подрядчиком по солнечной энергии. Системы с электрическими компонентами обычно требуют замены детали или двух через 10 лет. Узнайте больше об обслуживании и ремонте солнечных водонагревательных систем.

При проверке потенциальных подрядчиков на установку и / или техническое обслуживание задайте следующие вопросы:

• Есть ли у вашей компании опыт установки и обслуживания солнечных водонагревательных систем?
  Выберите компанию, у которой есть опыт установки системы нужного вам типа и обслуживания выбранных вами приложений.
• Сколько лет у вашей компании есть опыт монтажа и обслуживания солнечного отопления?
  Чем больше опыта, тем лучше. Запросите список прошлых клиентов, которые могут предоставить рекомендации.
• Имеет ли ваша компания лицензию или сертификат?
  В некоторых штатах требуется наличие действующей лицензии сантехника и / или подрядчика по солнечной энергии. Свяжитесь с вашим городом и округом для получения дополнительной информации. Подтвердите лицензирование с советом по лицензированию подрядчиков вашего штата.Совет по лицензированию также может сообщить вам о любых жалобах на подрядчиков, получивших государственную лицензию.

Повышение энергоэффективности

После того, как ваш водонагреватель правильно установлен и обслуживается, попробуйте некоторые дополнительные стратегии энергосбережения, которые помогут снизить ваши счета за нагрев воды, особенно если вам требуется резервная система. Некоторые энергосберегающие устройства и системы дешевле устанавливать вместе с водонагревателем.

Другие варианты водонагревателей

Солнечные коллекторы различных конструкций для улучшения тепловых характеристик

М.К. Лалджи ¹ *, Р. М. Сарвия ² и Дж. Л. Бхагориа ¹

¹ Департамент машиностроения, МАНИТ, Бхопал-462 052, Индия.

² Департамент технического образования и повышения квалификации, M.P. Правительство, С.В. Политехнический колледж, Шьямла-Хиллз, Бхопал — 462002, Индия.

DOI: http://dx.doi.org/10.13005/msri/080114

История публикации статьи
Статья получена: 20 апреля 2011 г.
Статья принята: 30 мая 2011 г.
Статья опубликована:
Проверка на плагиат: №

АННОТАЦИЯ:

Солнечная энергия — это экономичная альтернатива сегодняшнему спросу на энергию.Солнечный воздухонагреватель используется для экономичного нагрева воздуха, но имеет низкий тепловой КПД. В этой статье была предпринята попытка изучить конструкцию солнечных нагревателей для увеличения теплового КПД. Матричный солнечный воздухонагреватель с проволочной сеткой обеспечивает более высокий тепловой КПД по сравнению с обычным плоским солнечным воздухонагревателем. Проведена оценка различных методов повышения эффективности солнечного воздухонагревателя с насадочным слоем. Также было изучено влияние различных параметров на тепловой КПД солнечного нагревателя.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Солнечная энергия; Солнечный обогреватель; Тепловые характеристики; Проволочная сетка

Скопируйте следующее, чтобы процитировать эту статью: Лалджи М. К., Сарвия Р. М., Бхагориа Дж. Л. Различные конструкции солнечных коллекторов для улучшения тепловых характеристик. Матем. Наук. Рез. Индия; 8 (1)

Скопируйте следующее, чтобы процитировать этот URL: Lalji M.К., Сарвия Р. М., Бхагориа Дж. Л. Различные конструкции солнечных коллекторов для улучшения тепловых характеристик. Математические науки и ресурсы Индии; 8 (1). Доступно по ссылке: http://www.materialsciencejournal.org/?p=2504

Введение

Солнечные воздухонагреватели имеют низкий КПД из-за низкого коэффициента конвективной теплопередачи между воздухом и пластиной поглотителя, что приводит к более высокой температуре пластины поглотителя, что приводит к максимальным тепловым потерям в окружающую среду (Prasad & Mullick ¹ ).Если площадь, доступная для передачи тепла, не превышает площадь проекции абсорбера, абсорбер обязательно становится горячим, что приводит к более высоким потерям тепла. Исследователи предприняли попытки различных модификаций солнечного воздухонагревателя для увеличения скорости теплопередачи путем включения модификаций между пластиной поглотителя и стеклянной пластиной, например использование поглотителя с прикрепленными ребрами, гофрированного поглотителя (Choudhury и др., ² ), пористых материалов. такие как камни (Swartman & Ogunladeo, ³ ), измельченное стекло, шерсть и металлическая вата.

Плоские коллекторы

В отличие от концентрирующих коллекторов, плоские пластинчатые коллекторы используют как пучковое, так и диффузное излучение. Если площадь перехвата солнечного излучения такая же, как и площадь поглощения, коллектор известен как плоский пластинчатый коллектор. Коллекторы с плоскими пластинами предназначены для приложений, требующих подачи энергии при низких и умеренных температурах. Эти агрегаты механически проще концентрирующих коллекторов. Коллектор с плоской пластиной устанавливается лицом к солнцу (с оптимальным наклоном к горизонтали в зависимости от широты местоположения) и, следовательно, не требует отслеживания солнца.В основном плоские пластинчатые коллекторы применяются в областях солнечного нагрева воды и воздуха. Плоские пластинчатые коллекторы можно разделить на две основные классификации в зависимости от типа теплоносителя: (a) коллекторы жидкостного отопления и (b) коллекторы воздушного отопления или солнечные воздухонагреватели

Различные конструкции солнечных коллекторов для улучшения тепловых характеристик

Солнечные воздухонагреватели с более высокими тепловыми потерями в окружающую среду и, следовательно, более низким тепловым КПД.Следовательно, необходимо улучшить коэффициент конвективной теплопередачи, чтобы увеличить тепловой КПД плоских солнечных воздухонагревателей. Для повышения эффективности исследований были предприняты попытки изменения традиционной конструкции солнечного воздухонагревателя. Было предложено несколько различных конструкций для увеличения коэффициента теплопередачи между пластиной поглотителя и воздухом. Чтобы уменьшить потери тепла в атмосферу, был использован эффект использования более чем одной стеклянной крышки, вакуума или другой среды между стеклянной крышкой и пластиной абсорбера, соты, многопроходного воздушного потока, перекрывающихся стеклянных пластин в качестве поглотителя и поглотителя с избирательной поверхностью. исследованы.Все они описаны следующим образом:

Плоский коллектор простой

Это самый простой и наиболее часто используемый тип коллектора. В своей простейшей форме он состоит из одного или двух стекол на плоской пластине, поддерживаемой изоляцией. Путь воздушного потока может проходить либо выше, либо ниже, либо выше и ниже пластины абсорбера.

Коллектор с ребристыми пластинами

Это модифицированная версия плоского пластинчатого коллектора, в которой коэффициент теплопередачи увеличен за счет использования ребер на плоском пластинчатом поглотителе, а в некоторых конструкциях поверхность выполнена избирательно по направлению.Ребра обычно расположены в проходе для воздушного потока.

Коллектор гофрированного абсорбера

Это еще один вариант простого плоского пластинчатого коллектора, в котором поглотитель гофрирован либо в закругленных желобах. Это увеличивает площадь теплопередачи и может сделать поверхность избирательной по направлению.

Рисунок 1: Гофрированный и оребренный абсорбирующий солнечный коллектор

Коллектор матричного типа

В этой конструкции впитывающая матрица размещена в канале воздушного потока между остеклением и впитывающей пластиной.Матричный материал может быть растянутой металлической пластиной, хлопчатобумажной тканью или неплотно упакованным пористым материалом. Этот тип коллектора обеспечивает высокое соотношение теплопередачи к объему. Также он предлагает низкие потери на трение в зависимости от конструкции.

Коллектор с прозрачной пластиной с перекрытием

Коллектор этого типа состоит из расположенных в шахматном порядке набора прозрачных пластин, которые частично затемнены. Проход воздуха между пластинами внахлест

Пористый коллектор

Конструкция пористого или транспирационного слоя представляет собой разновидность коллектора матричного типа, в которой матричный материал плотно упакован, а задняя пластина абсорбера отсутствует.Воздушный поток обычно проходит под самой внутренней крышкой и направляется вниз через пористый слой в распределительный канал.

Коллектор с двумя или более стеклянными крышками

Когда коллектор работает при высоких температурах или подвергается воздействию высокой скорости ветра, использование двух или более стеклянных крышек, размещенных на определенной высоте над пластиной поглотителя, снижает конвективные, а также радиационные потери тепла от коллектора. Но использование нескольких стеклянных крышек снижает количество солнечного излучения, достигающего пластины поглотителя из-за поглощения солнечного излучения стеклом.

Альтернативная среда или вакуум в зазоре

За счет заполнения зазора между стеклянной крышкой и абсорбирующей пластиной альтернативной средой наблюдается снижение потерь. Использование тяжелых стекол, таких как аргон, может привести к снижению конвективных тепловых потерь на 34%. Эта экономия составляет более 50% для системы с двумя крышками.

Ячеистое подавление конвекции

Конвекцию от абсорбирующей пластины к стеклянной крышке можно подавить, заполнив пространство между абсорбирующей пластиной и стеклянной крышкой, называемое сотами Голландии.Из-за подавления движения воздуха теплопередача между пластиной в основном является теплопроводной и радиационной.

Двухходовой коллектор воздушного потока

Двухходовой солнечный воздухонагреватель состоит из двух стеклянных крышек, абсорбирующей пластины и задней пластины. Воздух сначала проходит через канал, образованный двумя стеклянными крышками, а затем через канал, образованный задней пластиной и пластиной поглотителя.

Этот тип коллектора не подходит, когда входящий воздух имеет температуру, значительно превышающую температуру окружающей среды, поскольку воздух, протекающий по верхней стороне пластины абсорбера, может вызвать значительные потери из входящего воздуха в окружающую среду за счет конвективной передачи тепла на внутреннее стекло. крышка, а затем наружу.Пыль в воздухе, если таковая имеется, будет накапливаться на внутренней поверхности термозащитного кожуха, таким образом снижая коэффициент пропускания кожуха.

Пластина абсорбера с селективными поверхностями

Желательно получить поверхность пластины поглотителя с сочетанием высокого поглощения для солнечного излучения и низкого коэффициента излучения для длинноволнового излучения. Достичь такого сочетания свойств можно, поскольку диапазоны длин волн солнечного и длинноволнового излучения очень мало перекрываются.На подложки могут быть нанесены покрытия с высоким поглощением солнечного излучения и низким коэффициентом излучения длинноволнового излучения. Свойства поверхностных покрытий, используемых в плоских коллекторах. Это «никель-черный» на оцинкованном железе, «медно-черный» на меди, эбаноловая медь на меди и «черный хром» на никелированной стали. Описанные экспериментальные покрытия представляют собой оксид меди на анодированном алюминии или никеле, интерференционные слои алюминиево-молибденовых соединений на молибдене и кристаллы сульфида свинца на алюминии.Абсорбирующая пластина с высокоселективными поверхностями требует только одной прозрачной крышки даже при достаточно высоких рабочих температурах.

Тип резервуара Коллектор

В интегральном накопительном коллекторе накопительный бак горячей воды является солнечным поглотителем. Бак или баки устанавливаются на изоляционный короб с остеклением с одной стороны и окрашиваются в черный цвет или покрываются выборочной поверхностью. Солнце светит сквозь остекление и попадает в черный резервуар, нагревая воду внутри резервуара.Единичные резервуары обычно изготавливаются из стали, а трубы — из меди. Достижимая температура с такими коллекторами немного ниже, чем с плоскими коллекторами.

Коллектор бассейна

Самая большая область применения активных систем солнечного отопления — это подогрев плавательных бассейнов. Для обогрева сезонных бассейнов разработаны специальные коллекторы: они не застеклены и изготовлены из специального сополимерного пластика. Эти коллекторы не могут выдерживать морозных условий.Ориентировочная максимальная рабочая температура такого типа солнечного коллектора на 10-20 ° C выше температуры окружающей среды.

Рисунок 2: Различные типы солнечных коллекторов жидкостного и воздушного отопления

Коллекторы вакуумные

Вакуумные трубчатые коллекторы в основном используются для нагрева воды в жилых помещениях, где требуются более высокие температуры. Солнечный свет проникает через внешнюю стеклянную трубку, попадает на трубку (и) поглотителя и превращается в тепло. Тепло передается жидкости, протекающей через трубку абсорбера.Коллектор состоит из параллельных рядов прозрачного стекла. Трубки сконструированы таким образом, что воздух откачивается из пространства между двумя трубками, образуя вакуум. Кондуктивные и конвективные потери тепла исключаются, поскольку нет воздуха, который проводил бы тепло или циркулировал и приводил к конвективным потерям.

Производительность солнечных коллекторов

Проведено исследование солнечного воздухонагревателя с двойным оребрением и оребрением по результатам А.А.Эль-Себайи и др. ⁴ показал, что солнечный воздухонагреватель с двойным проходом с v-образными гофрированными пластинами на 9,3–11,9% более эффективен по сравнению с солнечным воздухонагревателем с двойным оребрением. Также было указано, что пиковые значения теплогидравлического КПД солнечных воздухонагревателей с двойным оребрением и V-образными гофрированными пластинами были получены при массовых расходах протекающего воздуха 0,0125 и 0,0225 кг / с соответственно.

Оценка тепловых характеристик солнечного воздухонагревателя из проволочной сетки П.Velmurugan et al., , ^5, , при использовании проволочной сетки из низкоуглеродистой стали наблюдается 5% -ное увеличение общей эффективности по сравнению с традиционной системой. Массовый расход влияет на тепловой КПД воздухонагревателя. Интенсивность солнечного излучения не влияет на тепловую эффективность.

Оптимизация параметров слоя для системы сбора солнечной энергии с уплотненным слоем была проведена Б. Полом и др.,. ⁶ В этой работе были оптимизированы два типа коллекторов со слоем насадки, один с матрицей из проволочной сетки, а другой с галькой, были оптимизированы на основе минимальных затрат на единицу поставляемой энергии.

Пять различных форм элементов хранения были исследованы Ранджитом Сингхом и др.,. ⁷ Влияние параметров системы и рабочих параметров на теплопередачу и характеристики перепада давления системы накопления солнечной энергии с уплотненным слоем и крупногабаритными элементами накопительного материала были разработаны корреляции для числа Нуссельта и коэффициента трения как функции числа Рейнольдса, сферичность и паросодержание

Термогидравлические исследования солнечного воздухонагревателя с уплотненным слоем, канал которого заполнен почерневшими сетками из проволоки с различными геометрическими параметрами (диаметром и шагом проволоки), выполнены М.K. Mittal et al. ⁸ На основе механизма передачи энергии в кровати разработана математическая модель для вычисления эффективного КПД. Также предлагается критерий проектирования для выбора матрицы для упаковки воздуховода солнечного воздухонагревателя, которая обеспечивает наилучший тепловой КПД при минимальных потерях мощности накачки.

В экспериментальном исследовании, проведенном Л. Варшни, и др., , ^{, 9,} , по характеристикам теплопередачи и потока жидкости солнечного воздухонагревателя, канал которого заполнен сетками из проволочной сетки.Исследования охватывали широкий диапазон геометрических параметров матрицы экрана из проволочной сетки (диаметр проволоки, шаг и количество слоев). Корреляции, разработанные для j-фактора Колберна и коэффициента трения, показывают, что коэффициент теплопередачи и коэффициент трения сильно зависят от геометрических параметров матриц.

Н.С. Thakur et al., ¹⁰ провели экспериментальное исследование солнечного воздухонагревателя с насадочным слоем с низкой пористостью, охватывающего широкий диапазон геометрических параметров матрицы проволочного экрана, т.е.е. диаметр проволоки от 0,795 до 1,40 мм, шаг от 2,50 до 3,19 мм и количество слоев от 5 до 12. Отмечено, что как коэффициент теплопередачи, так и коэффициент трения сильно зависят от геометрических параметров пористого уплотненного слоя. Уменьшение пористости увеличивает объемный коэффициент теплоотдачи.

М.К. Gupta et al., ¹¹ провели сравнительное исследование различных типов геометрических форм искусственной шероховатости в пластине-поглотителе канала солнечного воздухонагревателя и их характеристик, изученных на характеристики теплопередачи и трения.. Обнаружено, что искусственная шероховатость на поверхности поглотителя эффективно увеличивает эффективность по сравнению с гладкой поверхностью.

Выводы

Солнечный воздухонагреватель с уплотненным слоем может быть успешно использован для увеличения скорости теплопередачи. Высокое отношение площади теплообмена к объему способствует теплопередаче, а путь воздушного потока, создающий турбулентность, через слой обеспечивает быстрое увеличение теплообмена. Пористость сильно влияет на коэффициент теплопередачи и, следовательно, на тепловые характеристики солнечного воздухонагревателя с уплотненным слоем.Можно также сделать вывод, что значительное улучшение теплопередачи может быть получено от солнечного воздухонагревателя с уплотненным слоем за счет снижения пористости слоя. Пористость слоя определяет производительность солнечного воздухонагревателя с уплотненным слоем при заданном числе Рейнольдса, пористость и отношение площади к объему являются ключевыми параметрами для теплопередачи. Число Рейнольдса также оказалось сильным параметром, влияющим на теплопередачу и коэффициент трения для солнечного нагревателя с насадочным слоем.

Список литературы

1. Прасад К., Mullick S.C., Характеристики теплопередачи солнечного воздухонагревателя, используемого для сушки. Прикладная энергия, 13: 83-93: (1983).
   CrossRef
2. Чоудхури C, Гарг HP и Пракаш Дж. Исследования конструкции солнечных воздухонагревателей с уплотненным слоем, Управление преобразованием энергии. 34 (2): 125-138. (1993).
   CrossRef
3. Свартман Р. К. и Огунаде О. Исследование коллекторов с уплотненным слоем. Солнечная энергия, 10: 106-110 (1966).
   CrossRef
4. Эль-Себайи А.А., Абул-Энейн С., Рамадан МРТ, Шалаби С.М. и Мохаррам Б.М., Исследование тепловых характеристик солнечного воздухонагревателя с двойным оребрением.Прикладная энергия. 88, 1727–1739. (2011).
   CrossRef
5. Велмуруган П. и Рамеш П., Оценка тепловых характеристик солнечного воздухонагревателя из проволочной сетки, Индийский институт науки и технологий., 4 (1): 12-14: (2011)
6. Пол Б. и Сайни Дж. С., Оптимизация параметров слоя для системы сбора солнечной энергии с уплотненным слоем. Возобновляемая энергия. 29: 1863–1876. (2004).
   CrossRef
7. Сингх Р., Сайни Р.П. и Сайни Дж.С. Корреляции числа Нуссельта и коэффициента трения для системы накопления солнечной энергии с уплотненным слоем, содержащей элементы большого размера и различной формы.Солнечная энергия. 80: 760-771 (2006).
   CrossRef
8. Миттал МК и Варшней Л. Оптимальные теплогидравлические характеристики солнечного воздухонагревателя с проволочной сеткой. Солнечная энергия. 80: 1112–1120 (2006).
   CrossRef
9. Варшней Л., Сайни Дж. Корреляция коэффициентов теплопередачи и трения для прямоугольного воздуховода солнечного воздухонагревателя, заполненного проволочными сетками. Солнечная энергия. 62 (4): 255-262 (1998).
   CrossRef
10. Thakur NS, Saini JS и Solanki SC, Корреляция коэффициентов теплопередачи и трения для солнечного воздухонагревателя с уплотненным слоем для системы с низкой пористостью.Солнечная энергия. 74: 319-329 (2003).
    CrossRef
11. Гупта М.К. и Kaushik S.C., Оценка характеристик солнечного воздухонагревателя с расширенной металлической сеткой как искусственная шероховатость на пластине-поглотителе, 48: 1007-1016 (2009).

---

Эта работа находится под международной лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

Какая наиболее эффективная конструкция солнечного коллектора? Формируйте как подсолнух

Концентрированные солнечные электростанции могут повысить эффективность за счет цветов, по мнению исследователей Массачусетского технологического института.Спроектирование солнечных зеркал по спирали, подобной головкам подсолнечника, может уменьшить пространство, необходимое для растений CSP, и увеличить количество солнечного света, собираемого зеркалами.

Концентрированные солнечные электростанции используют массив зеркал, называемых гелиостатами, которые движутся вместе с солнцем, когда оно движется по небу. Они устанавливаются концентрическими кругами и направляют солнечный свет на центральную башню, где тепло преобразуется в электричество. В мире всего несколько действующих заводов CSP, отчасти потому, что им требуется много места.Каждый гелиостат должен быть расположен так, чтобы он был обращен к центральной башне, но также и к солнцу, и все это не загораживало лицо другого гелиостата. Согласно MIT News, в современных конструкциях гелиостаты расположены таким образом, что все остальные кружки совпадают, как ряды в кинотеатре.

Исследователи из MIT и RWTH Aachen University в Германии придумали лучший способ их организовать. Сначала они изучили проблемы эффективности в существующей компоновке, обнаружив, что каждое зеркало каждый день испытывает проблемы с затенением и блокировкой.Александр Мицос и Кори Ноун из Массачусетского технологического института разработали компьютерную модель, чтобы сблизить гелиостаты, и они заметили, что предложенные модели очень похожи на спирали, встречающиеся в природе. В поисках вдохновения они обратились к подсолнухам.

Голова подсолнечника на самом деле не цветок, а группа маленьких цветков (называемых цветочками), сбитых вместе. Те, которые находятся снаружи, удерживают лепестки, а те, которые находятся внутри, называемые дисковыми цветочками, развиваются в семена. Цветки диска расположены по спирали, которая ориентирована на 137 градусов (золотой угол) по отношению друг к другу.Угол создает узор из взаимосвязанных спиралей, которые следуют последовательности Фибоначчи.

Имея это в виду, Мицос и Нун разработали спиральное поле гелиостата, в котором каждый гелиостат был ориентирован на 137 градусов относительно своего соседа, сообщает MIT News. Этот макет занимает на 20 процентов меньше места, чем типичные концентрические круги, и в нем меньше затенения и блокировки. По словам исследователей, эту конструкцию можно использовать для создания более эффективных заводов CSP на меньшем пространстве. Они подали заявку на патент.

Новости MIT

.

No related posts.