Энергия солнца

Все живое на земле, так или иначе, питается солнечной энергией, являющейся неисчерпаемым источником. Абсолютно все ископаемые энергоносители прямо или косвенно связаны с энергией солнца. И мы не можем игнорировать эту бесплатную силу, однако она не позволяет нам так просто «подставлять карманы»: для того чтобы получить из солнечной энергии электрическую или тепловую энергию, необходимо тратить средства и материалы. Таким образом, будет правильней назвать ее «условно бесплатной», по крайней мере, пока люди не изобретут более дешевые гелиодетекторы.

Самым простым способом использовать солнечную энергию – это применить принцип тибетского чайника, когда множество зеркал отражают солнечный свет, направляя его в одну точку подвешенного сосуда. Если изготовить такое зеркало, которое бы постоянно компенсировало движение земли, относительно солнца, а емкость с водой была бы соединена с паровой турбиной, то солнечная энергия превращалась бы в электрическую. Такие электростанции уже появляются в Европе.

Подсчитано, что все человечество, вместе взятое, за год потребляет в 30 000 раз меньше энергии, чем ее поступает от солнца на Землю в течение того же периода. Здание, расположенное в средних широтах, принимает на себя в несколько раз больше энергии солнца, нежели потребляет ископаемых энергоносителей в течение отопительного сезона. Основная причина такой расточительности кроется в разреженности и рассеянности солнечной энергии. На один квадратный метр площади, расположенной в средних широтах приходится всего 1800 Вт в сутки при идеальных погодных условиях. И все же эта цифра не такая уж и малая, если учитывать, какими незадействованными площадями мы располагаем.

Гелиоэнергетика стремительно набирает темп развития, особенно в развитых странах, где имеется дефицит ископаемых энергоносителей. Для преобразования энергии солнца в электричество или тепло используют гелиоустановки, соответственно солнечные батареи или коллекторы. Последние являются наиболее простым решением с технической точки зрения. Гелиоколлекторы прямого поглощения используют для обеспечения горячего водоснабжения и отопления зданий.

Активные и пассивные установки

Энергию солнца можно использовать активным и пассивным способом. Пассивные системы, как правило, не содержат ни каких движущих частей и механизмов. Абсорбция и аккумулирование происходит за счет элементов конструкции здания, без участия вспомогательных мощностей. При этом теплоносители попадают сразу в тепловые приборы без какой-либо редукции и регулировки.

Такая упрощенная схема имеет ряд недостатков, среди которых: неравномерное теплопоступление и частичное использование энергии. Самый примитивный пример пассивной системы – это зачерненный бак летнего душа. По тому же принципу работают парники и теплицы.

Концепция пассивного дома (Passivhaus), как раз использует данный подход, являясь европейским стандартом строительства и эксплуатации жилья. Основная идея проектирования пассивного дома направлена на уменьшение расходов на отопление, а также на кондиционирование в жаркое время года. В технологии строительства пассивного дома применяются несколько основных принципов, снижающих теплопотери и перегрев здания в соответствующие холодные и жаркие сезоны.

Планировка пассивного дома должна быть оптимальна относительно инсоляции. Северная сторона здания имеет минимальную высоту, а все ограждающие конструкции, выполнены по энергосберегающим технологиям. Южную сторону здания делают максимально высокой и полностью застекляют. Таким образом, солнечная энергия переходит в тепловую внутри помещения и аккумулируется им.

Обмен строительными статьями для продвижения сайта в Yandex

Активные гелиосистемы подразумевают более упорядоченное использование солнечной энергии. Для ее сбора и транспортировки используются вспомогательные механизмы, приводящиеся в движение электродвигателями. Из специальных устройств, преобразующих солнечную энергию в тепловую, теплоноситель поступает в аккумулирующие установки. Это позволяет более рационально использовать энергию солнца.

Плоские солнечные коллекторы

Слово «коллектор» происходит от английского «collect» - собирать. Солнечные коллекторы плоского типа состоят из теплоизолированного алюминиевого корпуса, накрытого небьющимся силикатным стеклом толщиной 4-5 мм либо акриловым стеклом. В качестве утеплителя применяют базальтовое либо стеклянное волокно. В корпусе под стеклом расположен абсорбер – теплопоглощающая панель (чаще пластина из металла) с высокоселективным покрытием, поглощающий коэффициент которого равен 0,94-0,96. Изнутри к абсорберу подходят медные трубки, по которым циркулирует теплоноситель, которым может быть вода или воздух. Этот тип систем называется разомкнутым или открытым, и применяется в регионах, где среднегодовая температура не опускается ниже нуля. Также их можно использовать сезонно в более холодных широтах.

Гелиоколлекторы с воздушным теплоносителем используются для обогрева помещений. Нагретый воздух может перемещаться под действием конвекции либо принудительной вентиляцией. В жидкостных гелиоколлекторах помимо воды могут быть использованы и антифризы. Циркуляция жидкости в системе коллектора происходит по замкнутому контуру. Чем больше площадь соприкосновения теплоносителя с плоскостью абсорбера, тем больше будет собрано тепла. Для этого медным трубкам придают прямоугольное сечение либо отштамповывают каланы в самой пластине, куда затем укладываются плоские трубки. Процесс отбора энергии у теплоносителя происходит в теплообменнике, далее тепло направляется на обогрев помещений или нагревание аккумулирующей емкости.

Гелиоколлекторы трубчатого типа

Все большую популярность в Европе приобретают так называемые трубчатые гелиоколлекторы. Они представляют собой модули из двойных стеклянных трубок, где одна вставлена в другую, а в межтрубном пространстве создан вакуум, для снижения теплопотерь из-за конвекции и теплопроводности. Внутренняя трубка с внешней стороны имеет селективное покрытие, обеспечивающее теплопоглощение.

Вакуумные гелиоколлекторы имеют несколько разновидностей. Наиболее эффективным видом, пожалуй, является коллектор, работающий по принципу тепловой трубы (Heat Pipe). Он состоит из испарительного кондиционного устройства, представляющего собой стержень, внутри которого находится легкоиспаряющаяся жидкость. Стержень помещается внутрь трубки коллектора. Легкоиспаряющаяся жидкость переносит тепло с горячего конца трубки на холодный, соответственно, испаряясь и конденсируясь. Трубчатые гелиоколлекторы в несколько раз дороже плоских, однако, и эффективность их выше на 20-35%. При отрицательных температурах воздуха такие коллекторы малоэффективны, поэтому их использование в наших широтах возможно только в теплое время года.

Система водооборота

В зависимости от мощности гелиоустановки объем аккумулирующего бака может быть от 200 до 2000 литров и всегда имеет усиленную теплоизоляцию. Вода в баках может подогреваться дополнительно электронагревателями или теплоносителями системы отопления.

Гелиосистемы различаются, как и системы водяного отопления на:
- одноконтурные и двухконтурные (с теплоносителем);
- с принудительной и естественной циркуляцией.

Одноконтурные гелиосистемы могут использоваться круглый год в регионах, где нет отрицательных температур. Вода для них должна быть умягченной и очищенной. Для двухконтурных систем качество воды не так важно, их также можно эксплуатировать круглогодично. Оба типа систем могут иметь принудительную или естественную циркуляцию.

При естественной циркуляции накопительный бак должен быть установлен выше уровня коллектора. Теплоноситель при нагревании поднимается вверх, способствуя циркуляции (термосифонная система). Если верхнее расположение бака невозможно, то для циркуляции используют электронасосы.

Термосифонная одноконтурная система является самым дешевым вариантом, а двухконтурная с принудительной циркуляцией – самым дорогим.

Качественный гелиоколлектор отечественного производства с площадью панели 188 м. кв., установленный под углом 35 град, на широте Москвы может нагреть 140 л воды до 55 град.С (июль). Точно такой же коллектор, имеющий угол наклона 30 град. и установленный на широте Сочи за то же время нагреет уже 200 л воды. Примерно такие же показатели имеют зарубежные коллекторы компаний TEPWOSOLAZ, VAILANT, VIESSMANN, SOLVIS.

Самые совершенные гелиосистемы содержат вакуумные трубчатые коллекторы, оснащены циркуляционным насосом и имеют бак-аккумулятор. В односемейных коттеджах наиболее популярны системы, состоящие из 2-4 секций плоских коллекторов, общей производительностью до 300 литров горячей воды в сутки.

Устанавливают коллекторы на крышах зданий, настенных козырьках, а также на специальных наземных конструкциях. Плоскость коллектора должна быть ориентирована в южном направлении, при этом угол ее наклона зависит от широты установки. Чем она ближе к экватору, тем угол становится меньше. В пасмурную погоду эффективность солнечных коллекторов снижается примерно в два раза. В это время аккумулирующая емкость подогревается электричеством.