Солнечные водонагреватели

Общие сведения об использовании энергии солнечного света в устройствах для нагрева

Мощность солнечного излучения, достигающего поверхности Земли в средних широтах, в ясный день, принято оценивать приблизительно как 1-1,2 киловатта на квадратный метр поверхности, перпендикулярной (нормальной) к солнечным лучам.

То есть, если бы погода была бы постоянно безоблачной, то мы могли бы получать за сутки в среднем за год около 10 киловатт-часов тепловой энергии с одного квадратного метра преобразователя солнечной энергии, ориентированного на Солнце.
Однако в реальных условиях освещенность намного меньше - облака, осадки, водяные пары, аэрозоли, пыль в атмосфере заметно уменьшают освещенность, особенно при малых углах солнца над горизонтом.

Например, по данным NASA Langley Distributed Active Archive Center (DAAC) - интернет-адрес Atmospheric Science Data Center (Центр научных данных об атмосфере), для местности 43 градуса северной широты 27 градусов восточной долготы (Latitude 43 / Longitude 27) максимум мощности солнечной энергии на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам (прямой, не-рассеянный солнечный свет) (Direct Normal Radiation), наблюдается в июле - более 6 киловатт-часов на квадратный метр в сутки, в среднем за месяц, а минимум прямой солнечной энергии - в декабре, всего 2,2 киловатт-часа.

Рассеянный солнечный свет (Diffuse Radiation) также несёт кое-какую мощность, но энергия рассеяного солнечного света за сутки значительно меньше - максимум в июне, 2,4 киловатт*час/м2, минимум энергии - в декабре, 0,6 киловатт*час/м2 (в среднем по месяцу). Величины диффузной солнечной энергии - для горизонтальной поверхности (Horizontal Surface).

Солнечные коллекторы, они же - солнечные водонагреватели, бойлеры, предназначены для нагрева печи, теплоносителя и т.п. энергией солнечного света. В данной статье рассматриваются бытовые солнечные нагреватели - для индивидуального дома, для апартаментов, для дач-садов и т.п., снабжения теплом или горячей водой ферм, цехов и т.п.

Типы солнечных коллекторов-нагревателей
Воздушные солнечные коллекторы

Идея очень проста и логична - используется парниковый эффект. Солнечный свет (ультрафиолет, видимый свет, коротковолновое инфракрасное излучение) проходят сквозь прозрачный материал (стекло, поликарбонатные плоскости, полиэтиленовая или поливинилхлоридная [ПВХ] плёнка), под которой свет поглощается чёрным теплоприёмником.

Теплоприёмник нагревается солнечным светом и нагревает воздух под стеклом. Этот нагретый воздух и используется для воздушного отопления.

Широко известны так называемые Super solar houses (супер-солнечные дома), их еще называют Cliff Houses (Клифф-хаусы). Крыши, стены таких домов строятся как многослойные конструкции: наружные стены прозрачные, средняя (как правило, несущая) стена выполняет роль аккумулятора тепла, а внутренняя - теплоизолирующая, от излишне горячей аккумулирующей стены.

Существует множество вариантов проверенных на практике конструкций супер-солнечных домов.
Подвижные, ориентируемые на солнце, солнечные коллекторы.

Так как прямое солнечное излучение имеет приблизительно в 2,5 раза большую мощность, чем рассеянный свет, то самыми эффективными должны были бы быть солнечные коллекторы, следящие за Солнцем.

Тем более что диффузный свет обычно неравномерен по площади неба, его максимум - обычно в направлении солнца. Исключение составляет погода, когда наблюдаются сильный туман, сплошная "толстая" облачность.

Существует три подхода ориентации солнечных коллекторов. Первый - поворачиваются зеркала (например, солнечные башни), второй - поворачивается за солнцем сам солнечный коллектор, третий - поворачивается зеркало вместе с нагреваемым элементом, например - параболические концентраторы.

Но во всех этих случаях выгода использования солнечных коллекторов, ориентированных оптимально на солнце, не так велика - зеркала и следящие системы очень дороги.
Плоские солнечные коллекторы

Вообще история солнечных коллекторов началась с простого застеклённого черного ящика. Это самый распространённый тип - так называемые плоские солнечные коллекторы. Они неподвижны и, на первый взгляд, должны быть очень дёшевы.

Однако их эффективность ограничена геометрией - они работают, когда солнце падает на их поверхность под углом больше 30 градусов, то есть летом - приблизительно 8 часов в сутки, а их эффективная площадь (площадь, перпендикулярная к солнечным лучам) в среднем за эти 8 часов составляет около 0,7 от площади остеклённой поверхности.

Трубчатые солнечные коллекторы

Нагревающейся от солнечного света элемент - чёрная труба с циркулирующим теплоносителем заключена для теплоизоляции в стеклянную трубу.

Трубчатые солнечные водонагреватели иногда ошибочно относят к типу "плоских", однако это не так: светопоглощающие трубки - круглые, и их площадь, обращенная к солнцу, (если смотреть в вертикальной плоскости) остаётся постоянной в период с 7 до 17 часов астрономического времени. Впрочем, это зависит от соотношения диаметра трубок и расстояния между ними.

Трубки имеют очень большую площадь, с которой принятое солнечное тепло уносится в атмосферу
Вакуумные солнечные коллекторы, трубчатый тип

Прозрачные трубки-преобразователи расположены так же, как и в обычных трубчатых коллекторах. Вакуум в трубках солнечных коллекторов этого типа - просто для теплоизоляции чёрной светопоглощающей трубки с водой, как правило, расположенной коаксиально внешней стеклянной трубке-оболочке.

Солнечные коллекторы-концентраторы

Главное отличие солнечных коллекторов-концентраторов от обычных солнечных коллекторов - наличие рефлектров (отражателей, зеркал), которые фокусируют солнечный свет с большой площади на светопоглощающем элементе.

Таким образом, увеличивается мощность потока лучистой солнечной энергии, направленной к светопоглощающему элементу, на единицу его площади.

Прямое солнечное излучение и отраженный от снега солнечный свет нагревают спираль термометра почти до 50 градусов Цельсия.

За счёт увеличения плотности потока солнечной энергии достигается уменьшение площади световоспринимающего элемента, снижение его стоимости.

В солнечных коллекторах концентраторах применяются параболоцилиндрические концентраторы (в этом случае приёмник солнечной энергии - труба, находящаяся в фокусе оптической системы) или параболические концентраторы, фокусирующие солнечный свет в точку. Зеркала обычно изготавливаются из полированного алюминия со специальными покрытиями.

Часто в солнечных коллекторах-концентраторах применяются устройства слежения за солнцем.

Бочка как солнечный коллектор

Обычная чёрная железная бочка на 100-200 литров, установленная на крыше (оцинкованное железо) с южной стороны, летом в солнечный день даёт 50-100 литров горячей воды с температурой 50-60 градусов. (Имеется в виду - в экологически чистых местах без смога, дыма и пыли.)

Теплопроизводительность обычной 200-литровой сэконд-хэнд бочки летом в солнечный день (без сильного ветра) вполне соизмерима с производительностью фабричного плоского солнечного коллектора площадью 2 квадратных метра стоимостью никак не меньше 350 евро или вакуумного трубчатого солнечного нагревателя, состоящего из 20 трубок диаметром 58 мм длиной 1 метр, с расстоянием между ними около 60 миллиметров - что стоит не менее 400 евро.

Эффективность солнечного водонагревателя типа "бочка" обусловлена тем, что летом бочка освещена солнцем и соответственно нагревается отнюдь не 8 часов в день как плоские солнечные коллекторы, и не 10 часов в день как вакуумные солнечные коллекторы, а 14 часов.

К тому же бочки имеют меньшую поверхность теплообмена с воздухом, по сравнению с вышеуказанными типами солнечных нагревателей.

И! Блестящая крыша выполняет роль бесплатного концентратора солнечной энергии - интенсивность потока солнечной энергии, падающей на бочку, по моим ощущениям, процентов на 30 больше интенсивности потока энергии прямого солнечного света.