Солнечная энергия неравномерно распределяется по поверхности Земли. Значительное влияние оказывают микроклиматические погодные условия (туманы, снег и т.п.). Поэтому системы, которые используют солнечную энергию, не обладают постоянной мощностью ни в течение светового дня ни в течение года, все расчеты производятся по усредненным данным за определенный промежуток времени.
Основным элементом гелиосистем является солнечный коллектор (гелиоколлектор). Именно в поглощающей панели гелиоколлектора под воздействием солнечного излучения (инфракрасной составляющей) происходит преобразование солнечной энергии в тепловую, в результате, панель разогревается, а прокачиваемый через ее каналы жидкий теплоноситель отбирает полученное тепло . Прозрачная изоляция (стекло) и теплоизоляционный слой уменьшают потери тепловой энергии. В двухконтурных системах нагретый в коллекторе теплоноситель поступает во внутренний (или внешний) теплообменник бака-аккумулятора, где передает полученную тепловую энергию воде. Затем, охладившийся теплоноситель возвращается в коллектор и вновь нагревается - цикл замыкается. Теплоноситель непрерывно циркулирует между коллекторами и баком до тех пор, пока достаточно солнечной энергии, чтобы нагревать воду.
От эффективности солнечного коллектора в значительной степени зависит эффективность работы всей системы. Чем больше солнечной энергии поглотит гелиоколлектор, и чем меньше он ее потеряет, тем эффективнее будет работать система.
Потери тепловой энергии в плоском солнечном коллекторе.
Все принципы конструирования солнечных коллекторов сводятся к обеспечению максимального поглощения солнечной энергии и максимальному снижению тепловых потерь. Максимальное поглощение солнечной энергии осуществлено в открытых коллекторах (без стекла), которые применяются только для нагрева воды в открытых бассейнах в теплый и солнечный период года, а самыми минимальными тепловыми потерями обладают вакуумные коллекторы. Но упомянутые коллекторы имеют ряд существенных недостатков, которые ограничивают повсеместное их использование.
Несмотря на разнообразие солнечных коллекторов (в виде бака, открытые, вакуумные, отражающие), наибольшее распространение получили плоские коллекторы из-за своей универсальности, надежности и неприхотливости. Также данные гелиоколлекторы обладают достаточно высокой эффективностью.
На практике, современный эффективный плоский гелиоколлектор работает со средним
КПД в 50%, более устаревшие модели работают с КПД – 20-40%. КПД солнечного коллектора нестабильный и может определятся только для конкретных условий эксплуатации в отдельный момент времени. Чем меньше температура, до которой требуется нагреть, тем выше КПД гелиоколлектора.
Например, только из-за применения более эффективного поглощающего покрытия (высокоселективного), в облачную погоду разница в эффективности солнечных коллекторов может достигать 45%.
Графики КПД гелиоколлекторов SintSolar CS (высокоселективное поглощающее покрытие поглощающей панели Sunselect) и SintSolar CB (поглощающее покрытие - селективная черная краска) в зависимости от мощности солнечного излучения (с учетом нелинейности).
Т. к. на территории Украины в значительной степени солнечное излучение состоит из рассеянного (на 40-60% в целом по году), необходимо использовать солнечные коллекторы с высокоселективным покрытием поглощающей панели.
Гелиоколлектор практически никогда не работает с максимальным КПД, так как в этом случае температура, до которой требуется нагреть, должна быть не выше температуры окружающего воздуха.
Существует достаточно простая формула КПД солнечного коллектора (без учета нелинейности), по которой можно определить разницу в эффективности любых коллекторов в каждый конкретный момент.
n
0 – произведение оптического КПД (a•t) и коэффициента эффективности поглощающей панели.
a - коэффициент поглощения поглощающего покрытия,
t – коэффициент транспорентности (прозрачности прозрачной изоляции, например, стекла),
Fr – коэффициент эффективности поглощающей панели.
К – Произведение общего коэффициента тепловых потерь коллектора и коэффициента эффективности поглощающей панели при нулевой скорости ветра, Вт/(м2*оС).
T – разница температур между средней температурой теплоносителя в коллекторе и температурой окружающего воздуха, oC.
E – мощность солнечного излучения, Вт/м2.
Солнечный коллектор – это не вся гелисистема, и он не может вырабатывать полезную тепловую энергию самостоятельно, если вся система не работает правильно.
Существует великое множество вариантов гелиосистем,и тепловая энергия, которую они могут выработать в определенный день ограничена, и зависит от многих факторов: конфигурации системы и ее конструктивных особенностей, степени ясности дня, температуры холодной воды, объема бака, температуры окружающего воздуха и т.д., поэтому для корректного расчета гелиосистем необходимо использовать сложные программные продукты.
Ввиду того, что поступающая солнечная энергия на земную поверхность нестабильна во времени, коллекторы почти всегда подключаются к аккумулятору тепловой энергии (бак с водой или специальной жидкостью, бассейн, грунт), который накапливает полезную энергию (системы без аккумулирования тепла значительно менее эффективны).
Условная выработка тепловой энергии для нагрева воды в солнечный день, гелиосистемой, состоящей из 1 м2 эффективного гелиоколлектора и бака с горячей водой на 80-100 л.
Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют экономить до 75% традиционного топлива, которое необходимо для приготовления горячей воды, и до 50% необходимого для целей отопления.
Системы солнечного теплоснабжения считаются одними из самых надежных и долговечных, при условии, если они были правильно рассчитаны, использовалось эффективное и качественное оборудование, а также били качественно смонтированы. Любая ошибка может привести к тому, что система не будет вырабатывать желаемое количество тепловой энергии или вообще быстро выйдет из строя.
В связи с интенсивным развитием технологий солнечной энергетики, в Мире появилось множество конструктивных решений и вариантов гелиосистем, которые классифицируются по различным критериям. В рамках данного сайта мы остановимся на классификации по принципу конструирования и подробно рассмотрим жидкостные системы солнечного теплоснабжения с аккумулированием тепловой энергии.
Мы не будем рассматривать воздушные системы, т.к. это совершенно отдельная и очень широкая тема. Сразу отбросим системы, где разогрев воды в баке осуществляется солнечной энергией непосредственно через его стенки («солнечный бак»), т.к. в упрощенном виде эти системы не эффективны и даже опасны, тем, что при температурах, до которых может разогреться вода (порядка 36-40
оС) очень интенсивно размножаются бактерии, которые могут вызвать разнообразные болезни, например, ангину. А более эффективные и технологичные их собратья (теплоизолированные и застекленные) не получили широкого распространения из-за ряда причин.
Любую систему солнечного теплоснабжения желательно конструировать с аккумулятором тепловой энергии, но существуют системы, в которых он отсутствует. В связи с тем, что поступающая солнечная энергия нестабильна во времени, такие системы не рекомендуется рассчитывать на степень покрытия от солнца более 10%. Эти системы мы также не будем рассматривать из-за очень узкой специфики их применения.
Из-за своей универсальности, эффективности, гибкости и удобства, наибольшее распространение получили
жидкостные системы (далее «гелиосистемы») с аккумулятором тепловой энергии (бак с водой или специальной жидкостью, бассейн, грунт), в которых есть отдельные элементы с четко обозначенными функциями:
- солнечный коллектор – преобразование и поглощение энергии;
- аккумулятор тепловой энергии – поглощение и сохранение энергии;
- соединительный трубопровод – доставка с минимальными потерями тепловой энергии в аккумулятор.
Гелиосистемы могут быть одноконтурные или двухконтурные (может быть и больше контуров), с естественной или с принудительной циркуляцией теплоносителя (вода или специальная незамерзающая жидкость).
Одноконтурные и двухконтурные системы
В одноконтурных системах в солнечные коллекторы поступает и нагревается именно та вода, которая расходуется из бака-аккумулятора.
Преимущества: - простота;
- возможность получить самый высокий КПД системы в целом.
Недостатки:
- высокие требования к качеству воды (желательно низкая жесткость и высокая степень очистки). На стенках каналов солнечного коллектора интенсивно оседают соли, каналы могут засориться намываемой грязью, это приводит к значительному ухудшению эффективности или даже к полному выходу из строя (если вовремя не прочистить каналы, что бывает очень затруднительно);
- повышенная коррозия, из-за воздуха, который растворен в воде;
- практически полная невозможность нормальной работы при минусовых температурах (опасность разрыва труб);
- низкий эффективный срок эксплуатации (из практики – не более 3-5 лет).
В двухконтурных системах в контуре солнечных коллекторов находится специальный теплоноситель (обычно незамерзающая нетоксичная жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками или подготовленная вода), при этом тепловая энергия от теплоносителя передается воде с помощью теплообменника .
Преимущества: - значительное увеличение надежности работы системы (солнечные коллекторы всегда в хорошем состоянии, т.к. нет выпадения солей и намывания грязи);
- возможность безопасной работы системы при минусовых температурах;
- солнечные коллекторы не требуют дополнительного обслуживания;
- более длительный гарантированный эффективный срок эксплуатации (10-50 лет).
Недостатки:
- незначительное снижение эффективности работы системы из-за наличия дополнительных тепловых потерь в коллекторах и трубопроводе, а также из-за необходимости применения теплообменника (порядка 2-5%);
- если применяется незамерзающий теплоноситель, то также незначительно ухудшается эффективность системы из-за более низкой его теплопроводности (по сравнению с водой);
- необходимость периодической замены теплоносителя (проверка состояния каждые 6-7 лет с возможной заменой).
Наш выбор: именно двухконтурные системы могут длительно эффективно и надежно работать на всей территории Украины, т.к. в большинстве своем вода имеет высокую жесткость, а также даже на южном берегу Крыма (ЮБК) возможны морозы до -10оС. Если система была разморожена или каналы коллекторов практически полностью забились солями, то в большинстве случаев, это приводит к необходимости полной замены гелиоколлекторов, т.к. на месте устранить такого рода неисправности практически невозможно. Снижение эффективности двухконтурных систем происходит незначительное, чтобы, предпочитая одноконтурную систему, жертвовать надежностью.
Системы с естественной (термосифонная) и принудительной циркуляцией теплоносителя.
Принцип работы систем с естественной циркуляцией теплоносителя (термосифонные системы): разогретый теплоноситель (обладая более низкой плотностью) устремляется в верхнюю часть коллектора, в результате чего возникает разность гидростатических давлений; если коллектор подключить к баку, который находится выше него, то возникнет самопроизвольная циркуляция теплоносителя, скорость которой зависит от конструкции коллектора, интенсивности солнечного излучения и скорости охлаждения в теплообменнике.
Термосифонные системы не желательно использовать, если общая площадь коллекторов больше 10 м
2 (согласно ВСН 52-86.Установки солнечного горячего водоснабжения).
Преимущества:
- простота конструкции системы;
- автономность процесса нагрева от солнца.
Недостатки:
- низкая эффективность работы системы (особенно в облачные дни, вплоть до полного отсутствия полезной работы), т.к. для того чтобы началось полезное движение теплоносителя, должна быть достаточно большая разница температур;
- высокие тепловые потери из-за низкой скорости движения теплоносителя (воды);
- нестабильная работа коллекторов (существует риск, что при определенных условиях прекратится движение теплоносителя, либо несколько коллекторов не будут участвовать в полезной работе);
- возможность частого возникновения опасного перегрева бака, вследствие того, что данная система не управляется;
- необходимость размещения массивного бака-аккумулятора выше верхней точки гелиоколлекторов (например, на крыше);
- при установке бака-аккумулятора на открытом воздухе, возникают большие потери тепла, бак подвергается усиленной коррозии, а так же существует риск замерзания бака и патрубков в зимний период;
- опасность выхода из строя двухконтурной системы, при условии ее отключения на зимний период со сливом воды из бака.
Всех вышеперечисленных недостатков лишена система с принудительной циркуляцией теплоносителя.
В системах с
принудительной циркуляцией в контур коллекторного круга включается маломощный циркуляционный насос, который заставляет циркулировать теплоноситель. Его работой управляет специальный контроллер. Потребляемая мощность насоса, несравнимо мала с тепловой энергией, которая вырабатывается системой.
- – Коллектор;
- – Бак-аккумулятор (бак-бойлер);
- – Циркуляционный насос;
- – Контроллер (блок управления);
- – Датчики температуры.
Преимущества:
- в результате принудительной циркуляции теплоносителя, система работает на 30 % эффективнее системы с естественной циркуляцией;
- бак-аккумулятор можно устанавливать в любом удобном месте;
- возможность эффективной работы круглогодично;
- система быстро настраивается на оптимальный режим работы;
- легко и удобно контролируется работа системы;
- система является более безопасной, так как контроллер отображает и блокирует опасные режимы работы.
Недостатки:
- необходимость установки дополнительного оборудования (насосного модуля и контроллера);
- дополнительное, но незначительное потребление электроэнергии циркуляционным насосом.
Наш выбор: гелиосистемы как с естественной, так и с принудительной циркуляцией теплоносителя получили широкое распространение, но ключевыми факторами при выборе системы являются: возможная температура воздуха в самый холодный период года и количество ясных солнечных дней. Термосифонные системы получили распространение в странах с теплым климатом и большим количеством ясных дней (Турция, Греция, Египет, Израиль и т.д.), и используются, в основном, как индивидуальные. На всей территории Украины (в т.ч. и на ЮБК) рекомендуется использовать гелиосистемы с принудительной циркуляцией теплоносителя, т.к. достаточно большое количество облачных дней приводит к значительному снижению эффективности термосифонных систем (на 30%), а низкие температуры в зимний период года, вынуждают принимать меры по защите от замерзания, что бывает невозможно с точки зрения надежности. Те незначительные дополнительные затраты в системах с принудительной циркуляцией быстро окупаются своей эффективностью и безопасностью.
Вывод: если оценивать все преимущества и недостатки описанных систем можно сделать вывод, что на территории Украины желательно использовать только двухконтурные системы с принудительной циркуляцией теплоносителя. Также это утверждение верно с точки зрения экономической целесообразности использования гелиосистем. Т.к. стоимость гелиосистем превышает стоимость традиционных систем теплоснабжения и при действующих ценах на энергоносители имеет срок окупаемости - от 3 до 8 лет, выход из строя системы ранее 10 лет эксплуатации не даст экономического эффекта и достаточной энергетической прибыли потребителю. Следовательно, основные критерии при выборе гелиосистем – это высокая, долговременная эффективность и надежность.
Гелиосистемы можно использовать практически для любых целей, где необходима низкопотенциальная тепловая энергия. Варианты гелиосистем, которые получили наибольшее распространение, представлены на рисунке ниже.
Также возможно использование гелиосистем для опреснения, технологических нужд (винного, кондитерского и других производств), повышения эффективности водоочистки, прогрева грунта и т.д.
Гелиосистемы, которые предназначены для одновременного выполнения нескольких функций (ГВС и отопление, ГВС и нагрев воды в бассейне и т.д.) называются комбинированными (многофункциональными). Такие системы в основном конструируются как двухконтурные с принудительной циркуляцией теплоносителя.
Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют экономить до 75% традиционного топлива, которое необходимо для приготовления горячей воды, и до 50% необходимого для целей отопления.
