Стоимость энергии, получаемой от возобновляемых источников энергии непрерывно снижается, и одним из самых освоенных направлений ее использования является нагрев воды. Ещё за 2021 год общая тепловая мощность солнечных коллекторов мира по разным оценкам превысила 280 ГВт тепловой энергии [1], приблизительно составляет более 490 млн.м 2 солнечных коллекторов, и эти цифры продолжают расти. В России рынок в данной отрасли развит слабо, и основное количество солнечных установок эксплуатируется в регионах Краснодарского края, Бурятии и Дагестана.
СВУ разнообразны по в конструкции, по используемым материалам, схемам течения теплоносителей, количеству контуров циркуляций, организацией накопленного тепла, габаритам и т. д., их подробная классификации показана на рисунке 1.
Рис. 1. Классификация солнечных водонагревательных установок
В первой из групп находятся раздельные СВУ, где функции сбора солнечной энергии и её хранения выполняют два разных устройства — солнечный коллектор и бак-аккумулятор соответственно. Первую подобную установку подобного типа запатентовал Вильям Бейли ещё в 1909 г. [2]. В более крупных установках подобного типа устанавливается циркуляционный насос для принудительного создания потока теплоносящей жидкости в контуре. Данные солнечные водонагреватели проектируются индивидуально под нужды конкретного потребителя.
Вторую группу составляют интегрированные солнечные водонагревательные установки, в которых бак-аккумулятор совмещён с поглощающей панелью, которая в свою очередь размещена на одной из граней бака. Установки данного типа имеют одну отличительную особенность, а именно различные формы баков-аккумуляторов: цилиндрические, плоские и наборные. В данный момент такие СВУ достаточно редки из-за вытеснения с рынка термосифонными солнечными водонагревателями, в силу большей технологичности, простоты и их надёжности.
В третьей группе разместились тоже не столь многочисленные гибридные установки. Они способны преобразовывать солнечную энергию как в тепловую, так и в электрическую энергии. Но в силу выполнения трансформации одновременно двух типов энергии они намного менее мощные, чем отдельно взятые СВУ и автономная солнечная электростанция, и по этой причине большой популярности не сыскали.
Термосифонную СВУ рассматривают в простой конфигурации, в состав которой входят такие компоненты как: солнечный коллектор, водяной бак-аккумулятор, соединяющие их теплоизолированные трубопроводы. После попадания на коллектор солнечных лучей жидкость постепенно начинает разогреваться и благодаря естественной либо принудительной циркуляции попадает в бак-аккумулятор, после чего возвращается в солнечный коллектор для последующего нагрева. Во время малой для разогрева воды интенсивности солнечных лучей циркуляция воды завершается с помощью автоматики и продолжается, в случае, когда интенсивность солнечных лучей увеличивается до нужного для разогрева воды уровня. Жидкость в баке является в полной мере смешанной потому как размеры и расположение баков в СВУ осуществить меры для сохранения в баке температурной стратификации, по большей части, не удаётся.
Отбор нагретой термоносящей жидкости к потребителю в СВУ выполняется в баке-аккумуляторе, в случае необходимости, жидкость нагревается запасным водонагревателем. В СВУ аккумуляционного вида отсев разогретой жидкости происходит в верхней области разогретой панели.
Ожидалось, что в СВУ используется смеситель, в случае повышения температуры в баке-аккумуляторе, необходимой водопотребителю, в жидкость добавляется необходимое количество холодной воды из водопровода.
Этот и другой вид СВУ создавались в ожидании того, что теплоизолированны бак-аккумулятор и соединительные трубопроводы. Вместимость нагрузочного бака равна сотне литров жидкости, а нагрузка составляет сотню литров жидкости в день. Размер площади коллектора термосифонной установки равняется двум квадратным метрам, а площадь интегрированной СВУ составляет 1,5 м 2 . Интегрированные СВУ выделяются низкой чувствительностью относительно размеров солнечного коллектора. При величине поглощательной способности окрашенной в черные цвета поглощающей панели 0,92÷0,93 приведённую поглощательную способность можно оценить (так альфа) ~ 0,81. Этот аппарат состоит из отдельных частей — ёмкостей, соединенных между собой клеевыми швами. Поглощающая панель, в отличие от металлических конструкций имеет более низкую теплопроводность, вследствие чего тепло по конструкции не передается, поэтому клеевые швы в оптическом КПД не участвуют. Оптический КПД СВУ можно оценить в 0,69, учитывая габариты СВУ и ее поглощающую площадь. Подобным способом считается эффективный коэффициент потерь. Тепловыми потерями пренебрегают, считая, что в зонах клеевых швов потери компенсируются поглощённым солнечным светом. Таким образом эффективный коэффициент потерь равен 5,3 Вт ( м ²/ К ).
В роли показателя энергетической эффективности СВУ применялась «доля покрытия нагрузки горячего водоснабжения потребителя за счет солнечной энергии» или же коэффициент замещения f [3].
Существенным моментом при моделировании СВУ считается график потребление горячей воды за сутки. В этом случае моделируется система, включающая в себя график использования нагретой воды, в температурном промежутке 37÷45° С , созданным по данным [3]. Когда в баке-аккумуляторе температура ниже необходимой, нагрев воды происходит за счёт резервного нагревателя.
В периоды, когда температура не поднимается выше нуля градусов цельсия, потери нивелируют эффект стратификации, о чём свидетельствуют расчёты годовой доли перекрытия нагрузки горячего водоснабжения: аккумулирующие системы нагревания выдают самую низкую производительность за год, по сравнению с термосифонными СВУ.
При использовании СВУ аккумуляционного типа, последние способны покрывать нагрузки горячего водоснабжения наравне с раздельными СВУ, несмотря на более низкие параметры технического совершенства первых.
Литература:
- Renewables 2021. Global Status Report. 2022. Электронный ресурс: http://www.ren21.net (доступ свободный) [Дата последнего обращения: 13.03.2023 г.]
- Bailey W. J. Solar Heater // US patent No. 966070. 1910
- Duffie J. A., Beckman W. A. Solar Engineering of Thermal Processes: 3d ed. New Jersey. John Wiley & Sons. 2006. 928 p.
