Принцип роботи сонячних водонагріваючих установок

Призначення

Сонячна водонагріваюча установка (СВУ) призначена для отримання гарячої води заданої температури шляхом перетворення потоку сонячного випромінювання в теплову енергію. Залежно від інженерного виконання СВУ може бути представлена в моно- або поліфункціональному вигляді і забезпечувати наступні потреби:

• гаряче водопостачання;
• опалювання;
• пристрій теплої підлоги;
• нагрів басейнів.

Комплектація

СВУ складається з трьох обов'язкових елементів (вакуумний колектор, накопичувальний резервуар і центр управління), що забезпечують її ефективне функціонування.

Схема сонячної водонагревающей установки:

1. сонячні промені;
2. вакуумний колектор;
3. датчик температури № 1;
4. бак скидання зайвого тиску;
5. центр управління;
6. контролер;
7. електронагрівач;
8. датчик температури № 2;
9. запобіжний клапан;
10. вхідний отвір (холодна вода);
11. вихідний отвір (гаряча вода);
12. накопичувальний резервуар з двома теплообмінниками;
13. основний контур опалювання.

Вакуумний колектор – комплекс вакуумних трубок, що перетворюють потік сонячного випромінювання в теплову енергію, де здійснюється первинна передача отриманого тепла в накопичувальний резервуар через циркулюючий в системі теплоносій (незамерзающая рідина).

Вакуумний колектор комплектується 10-30 вакуумними трубками, розташованими паралельно одна одній. Кількість колекторів СВУ залежить від потреб, але зазвичай досить 1-2, в окремих випадках – 4-6 і більш (залежно від напряму використання тепла і навантаження).

Елементарною одиницею перетворення енергії сонячного випромінювання в тепло є вакуумні трубки, які уловлюють найбільш коштовне з точки зору здобуття тепла випромінювання, а отримане тепло – передають воді, яка безпосередньо використовується в побуті або теплоносію, за допомогою якого здійснюється нагрів води для гарячого водопостачання або опалення.

Існує 4 основних типа вакуумних трубок, якими комплектуються колектори:

• Glass simple vacuum tube
• 3-Hi Solar core vacuum tube
• Heatpipe tube
• Super Heatpipe (SHCMV heatpipe tube)

Накопичувальний резервуар – бак заданого об'єму (як правило 100-500 л) в якому накопичується тепла вода, отримана від вакуумних колекторів. Конструктивно виконаний у вигляді електричного бойлера з одним або двома внутрішніми теплообмінними спіралями. Функції накопичувального резервуару:

1. накопичення гарячої води;
2. збереження отриманого тепла;
3. додаткове підігрівання води (при необхідності).

За умовчанням резервуар комплектується електронагрівачем, але додаткове підігрівання (у разі потреби) може здійснюватися за рахунок будь-якої іншої системи енергогенерування (газ, дизель, вугілля, дрова і тд.).

Центр керування (робоча станція) – комплекс автоматичного контролю функціонування вакуумного колектора і накопичувального резервуару, що включає контроллер, датчики температури і тиску, насос і замочні елементи. Дозволяє повністю автоматизувати процес і встановити найбільш ефективний режим роботи системи протягом доби залежно від заданих Вами параметрів, що реалізується за допомогою мікропроцесорного контроллера, що забезпечує наступні функції:

• Індикація температури колектора, резервуару, зворотного потоку теплоносія;
• Вибір температури активації примусової циркуляції теплоносія і додаткового підігрівання;
• Вибір тимчасових параметрів включенія-виключенія системи опалювання і додаткового підігрівання;
• Вибір температури режиму антізамерзанія;
• Індикація пошкодження датчиків.

Принцип роботи

У основу функціонування СВУ покладено чотири базові процеси:

1. уловлювання сонячного випромінювання;
2. теплообмін;
3. консервація отриманого тепла;
4. автоматизований контроль системи.

При цьому інженерне рішення по реалізації цих процесів чітко розподіляється відповідно до елементів СВУ. Так, сонячне випромінювання, потрапляючи на колектор, проходить через його вакуумну зону і досягає спеціального покриття, яке уловлює ті хвилі сонячного випромінювання, які несуть найбільшу енергію, – в першу чергу інфрачервоний спектр. Внаслідок чого відбувається інтенсивне розігрівання вакуумного колектора. Залежно від типу вакуумних трубок колектора, отримана енергія передається: воді (безпосередньо використовуваною), теплоносію (вода або антифриз) або металевій пластині. У першому випадку отримане тепло безпосередньо передається воді для її нагріву. У другому і третьому – використовується теплоносій або теплопередавач. Як теплоносій може використовуватися звичайна вода або антифриз (як правило, водний розчин гліколю), а як теплопередавач - мідна трубка або алюмінієва пластина.

Далі теплоносій або теплопередавач віддає отримане тепло воді, що використовується для побутових потреб (гаряча вода і/або опалювання). Зазвичай, теплоносій або теплопередавач просторово стикаються з мідною трубкою (спіральною U-подібного або голівчатого типу), яка характеризується підвищеним коефіцієнтом теплообміну. Саме через мідну трубку і здійснюється процес теплообміну між теплоносієм (теплопередавачем) і водою, що нагрівається. У найбільш простих системах мідні трубки відсутні, в такому разі процес теплообміну відбувається безпосередньо між теплоносієм і водою, що нагрівається.

З метою збереження отриманого тепла в СВУ використовуються баки-резервуари, що мають ізоляційний шар, який забезпечує як можна тривалішу підтримку внутрішньої температури. Для ефективнішої координації функціонування найбільш складні (і одночасно найбільш продуктивні) СВУ комплектуються системою автоматичного управління, де здійснюється контроль роботи всієї установки відповідно до заданих параметрів, включаючи вибір оптимального режиму роботи системи протягом доби, при цьому контроллер регулює потік теплоносія і визначає напрям подачі тепла (гаряче водопостачання і/або опалювання). Для безперебійного функціонування СВУ можуть комплектуватися додатковими джерелами енергії, наприклад: традиційний водонагрівач, що працює на електриці, газі, рідкому (дизель) або твердому (вугілля) вигляді палива, що забезпечує найбільш високу ефективність використання в зимовий час, коли навантаження найбільш високі, а також нічний час або хмарну погоду, при цьому альтернативне джерело енергії використовується лише для підтримки заданих параметрів.

Інсталяція

СВУ можуть встановлюватися на будь-якому більш менш освітленому просторі: як горизонтальному – дахи будівель, техплощадки, так і вертикальному – балкони. При цьому експозиція (північ-південь) і кут нахилу (0-90^о) впливають на ефективність роботи всієї системи.  Слід врахувати, що функціонування системи можливе у будь-який час року і погоду, проте найбільша продуктивність СВУ припадає на період весна-осінь. Тому при комплектації СВУ необхідно враховувати їх мінімальну продуктивність, розраховану на холодний період року, коли кількість сонячної енергії знижується, а потреба в тепловій енергії – зростає.

СВУ можуть працювати у відкритому автономному режимі (наприклад: прямому підігріву води для пасивного гарячого водопостачання), але найбільш поширені і ефективні типи установок – закриті, двоконтурні, що функціонують при магістральному тиску водопроводу і мають додаткове джерело енергозабезпечення. Перший варіант – так звані сезонні установки, що функціонують в теплий період року, вони популярні для використання в дачних селищах. Другий варіант – всесезонні установки, що забезпечують річне забезпечення теплом.

Класифікація СВУ

СВУ класифікуються на 2 типи (активні і пасивні) залежно від способу циркуляції рідини, що нагрівається, і мають 2 варіанти виконання (прямі і непрямі) залежно від наявності або відсутності теплоносія.

Типи СВУ:

Пасивні – циркуляція рідини здійснюється за рахунок конвективних потоків. У основі цього процесу лежить явище природньої конвекції – прямування теплих мас води вгору. При нагріві води її об'єм дещо збільшується, а щільність і питома вага знижуються – вода легшати і висхідними потоками піднімається по колектору у верхню частину бака. У свою чергу холодна вода поступово перетікає в колектор, де також нагрівається. Так відбувається циркуляція водних мас в системі. З цим явищем ми стикаємося в жарку погоду – коли волога випаровується з поверхні Землі, досягаючи верхніх шарів тропосфери, водні маси збираються в хмари, охолоджуються і випадають у вигляді дощу.

Активні – для циркуляції рідини через колектор використовують електричний насос, додатковим устаткуванням є контроллер і клапани. При цьому насос використовується у разі потреби інтенсифікації виробництва гарячої води, часто досить лише природньої конвекції.

 Варіанти виконання СВУ:

Прямі – в системі циркулює вода, що використовується безпосередньо для гарячого водопостачання (відкритий контур).
Непрямі – в системі циркулює теплоносій (вода або антифриз), який через теплообмінник нагріває воду, що використовується для гарячого водопостачання (закритий контур).

Загальний ефект використання СВУ:

1. Здобуття альтернативного джерела неограніченной, екологічно чистій безкоштовній енергії;
2. Забезпечення потреб в гарячій воді для побутових потреб (навіть у місцях відсутності магістрального водопроводу);
3. Повне або часткове забезпечення потреб опалювання (осенне-весенній період – до 80 %) (зимовий – до 50 %);
4. Зниження рівня вжитку традиційних енергоресурсів, а отже, і фінансових витрат.

 За матеріалами з solar.atmosfera.ua