Отопление с использованием солнечных коллекторов в городе Оренбурге



Статья посвящена применению дополнительного отопления с использованием солнечных коллекторов. В ней раскрыты виды и достоинства солнечных коллекторов, а также выполнен расчет определения площади коллектора.

Ключевые слова: солнечный коллектор, солнечная энергия, контроллер

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Солнечная энергия — кинетическая энергия излучения, образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически бесконечны, ее относят к возобновляемым энергоресурсам. Солнечная энергия может быть использована для теплоснабжения, в сельском хозяйстве, сушки различных продуктов и материалов, в технологических процессах в промышленности.

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой ближним инфракрасным излучением и видимым светом [1].

В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев теплоносителя.

Коллекторы были разработаны около двухсот лет назад. В 1767 году швейцарским ученым Горацием де Соссюр был изготовлен плоский солнечный коллектор. Эффективность систем солнечного отопления с 1970-х постоянно возрастает благодаря использованию для покрытия коллекторов закаленного стекла с пониженным содержанием железа, улучшенной теплоизоляции и прочному селективному покрытию [2].

Солнечные коллекторы применяются для отопления промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн. м², а во всём мире — 71,341 млн. м² [3].

В 2011 году насчитывалось 23 производителя и поставщика плоских коллекторов в 12 странах, 88 производителей и поставщиков вакуумных коллекторов из 21 страны [4].

Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения солнечной радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной панелью [1,5].

Поскольку солнечная радиация распределяется по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь. В настоящее время существует множество различных моделей коллекторов [1,5,6,7].

Виды солнечных коллекторов:

– Температурные;

– Воздушные;

– Плоские;

– Интегрированные;

– Вакуумные;

– Жидкостные.

Существуют определенные рекомендации по выбору и установке солнечного коллектора. Для южных регионов с мягкой зимой и большим количеством солнечных дней в году лучший вариант — плоский коллектор. При таком климате он показывает высшую продуктивность [1,5].

Для регионов с более суровым климатом подходят трубчатые коллекторы. Причем для суровых зим больше подходят именно системы с Heat-pipe: они греют даже ночью, в пасмурную погоду, собирая большую часть спектра солнечного излучения. Они не боятся низких температур, но точный диапазон температур нужно уточнять: он зависит от вещества, находящегося в тепловом канале. Эти системы при грамотном расчете могут быть основными, но чаще они просто экономят затраты на отопление от другого, платного источника энергии.

Если необходимо только горячее водоснабжение — можно выбрать как плоский, так и вакуумный солнечный коллектор. У вакуумного коллектора только будет выше эффективность зимой и в пасмурную погоду.

Коллектор должен быть расположен в положении, обеспечивающем беспрепятственный проход солнечных лучей от 9 до 15 часов, так как в это время солнечная энергия максимальна. Устанавливается коллектор передней стороной на юг под углом, соответствующим широте установки. Отклонение на 20° от направления на юг допустимы и не влияют на производительность тепла коллектора. При монтаже коллектора необходимо рассчитать возможные ветровые нагрузки.

Рама и монтажные крепления проверяются на скорость ветра 160 км/ч.

Коллектор стараются установить как можно ближе к накопительному баку, так как удлинение линии передачи уменьшает эффективность и увеличивают затраты при установке.

Для увеличения потенциального выхода тепла в зимний период, рекомендуется, чтобы коллектор был установлен на угол 15°-20° больше, чем соответствующая широта, это даст максимальную площадь коллектора.

Нельзя устанавливать устройство таким образом, чтобы трубки располагались горизонтально или вверх дном, устройство не будет работать.

Наиболее высокого коэффициента энергоотдачи солнечной установки за год можно добиться при ее расположении в южном направлении с наклоном 30°-35° к горизонтали. Даже при незначительном отклонении от этих условий целесообразен монтаж тепловой солнечной установки. В таблице 1 приведен оптимальный угол наклона коллекторов в зависимости от назначения системы (см. табл. 1) [8].

Таблица 1

Оптимальный угол наклона

Использование солнечного тепла	Оптимальный угол наклона гелиоколлекторов
Приготовление горячей воды	30–45
Приготовление горячей воды + отопление помещений	45–53
Приготовление горячей воды + нагрев бассейна	30–45
Приготовление горячей воды + нагрев бассейна + отопление помещения	45–53

Солнечный коллектор является главной составляющей системы солнечного теплоснабжения, однако, помимо него для обеспечения работы необходимо подобрать дополнительное оборудование. Как правило, у большинства производителей данное оборудование комплектуется вместе с коллектором [9].

Основное оборудование включает в себя:

– Клапан предохранительный

– Показывающие манометры и термометры

– Воздуховыпускной клапан

– Трехходовой термостатический клапан

– Расширительный бак

– Бак-аккумулятор

– Контроллер

Основная задача расчета определения площади солнечного коллектора сводится к определению количества тепла необходимого для системы. Когда будет получена цифра, определяющая необходимое тепло, можно приступить к расчету количества трубок вакуумного солнечного коллектора.

Рассмотрим вариант расположения солнечной установки в городе Оренбурге. Значение солнечной радиации берется из [6]. В июне солнечная энергия на 1 м² составляет 6,44 кВтчм²/день, а в декабре 0,8 кВтчм²/день [11,12].

Сначала определяем количество тепла, которое необходимо для системы горячего водоснабжения [6,10].

Определяем на сколько градусов должна повыситься температура воды и ее объем для семьи из 4 человек. По эмпирическим данным на среднего человека расходуется в день 50 литров воды. Суммарный объем емкостного нагревателя надо рассчитывать из расчета 1,5–2 суточной потребности. Соответственно получается 300 литров в сутки.

Средняя температура входящей воды = 15°С. Она должна быть нагрета до 50°С.

t= 50–15=35 °С.

Затем определяем количество энергии необходимой для нагревания этого количества воды. Учитываем, что для нагрева одного литра воды на один градус нужно затратить энергию равную 1 ккал. Получается 10500 ккал. Переводим полученную энергию в кВтч. Соответственно получается 12,21 кВтч (1 кВтч = 859,8 ккал)

Далее определяем количество энергии, которая может поглощаться и преобразовываться в тепло солнечными коллекторами RUCELF^®.

Солнечный коллектор RUCELF^® способен поглощать до 80 % энергии солнца.

Значение передачи поглощенной энергии вакуумными трубками RUCELF^® равно 6,440,8=5,152 кВтч/день площади поглощения коллектора для июня.

Значение передачи поглощенной энергии вакуумными трубками RUCELF^® равно 0,80,8=0,64 кВтч/день площади поглощения коллектора для декабря.

Площадь поглощения вакуумной трубки диаметром 58 и длиной 1800 мм составляет 0,08 м². Следует, что одна трубка способна получать и передавать солнечное тепло в размере 0,41 кВтч и 0,051 кВтч соответственно в июне и декабре.

Используя значение, вычисленное выше, определяем количество трубок, которое надо установить.

Энергия, которую необходимо затратить на нагрев нужного количества воды составляет 12,21 кВтч.

Энергия, которую может передать одна вакуумная трубка, в зависимости от месяца, составляет 0,41 кВтч и 0,051 кВтч.

Июнь — 12,21 / 0,41 =29,8 30 трубок;

Декабрь — 12,21 / 0,051= 240 трубок.

Подсчитав, количество трубок в составе коллекторов, мы видим, что в зависимости от месяца использования для приготовления нужного количества воды, количество трубок может существенно отличаться [13,14].

В данном случае вариант — чем больше, тем лучше, не подходит. Зимой мы получим необходимое количество тепла, но летом столкнемся с очень существенной проблемой — утилизацией избыточного тепла.

Тогда принимаем расчетное значение вакуумных трубок 30.

К установке принимаем один коллектор RUCELF^® модели SCV-1800–30. Технические параметры модели представлены в таблице 2.

Таблица 2

Технические параметры модели

Модель	Количество трубок, шт.	Ширина, мм	Площадь поглощения, м2	Вес в сборе, кг	Глубина, мм (при угле наклона 450)
SVC-1800–30	30	2396	2,4	130	1750

Подсчитаем количество тепловой энергии в каждый месяц года:

Январь:

Февраль:

Март:

Апрель:

Май:

Июнь:

Июль:

Август:

Сентябрь:

Октябрь:

Ноябрь:

Декабрь:

На рисунке 1 показан график, отражающий количество тепловой энергии кВт/месяц, которое вырабатывается солнечным коллектором.

Рис. 1. График годовой выработки тепловой энергии солнечным коллектором

Расчет срока окупаемости солнечного коллектора выполнен при помощи программы [15] и представлен в таблице 3.

Таблица 3

ГВС + поддержание отопления

Стоимость кап вложений при использовании гелиосистемы, руб.	Оплата при подогреве электрокотлом (руб/год), 1кВтч=0,62руб.	Оплата при подогреве газовым котлом (руб/год) 1 м3=3,72 руб.	Ориентировочная оплата при использовании гелиосистем, руб/год	Срок окупаемости, год, сучетом ежегодного подорожания энергоресурсов
124000	6696	27900	2500	6

Выводы:

Использование солнечных коллекторов позволяет уменьшить затраты на отопление на 30 %, а затраты на нагрев горячей воды на 60 % в год.

Экономические расчеты показывают, что при существующих и постоянно растущих ценах на топливо, срок окупаемости солнечных коллекторов составляет 2–5 лет, в то время как реальный срок службы составляет 25–30 лет, а по данным некоторых производителей и более 30-ти лет.

Литература:

1. Солнечные коллекторы [Электронный ресурс]. — http://www.allbest.ru.

2. История создания солнечных коллекторов [Электронный ресурс]. — http://cyberleninka.ru/article/n/istoriya-sozdaniya-solnechnyh-kollektorov.

3. Солнечное теплоснабжение в регионах России [Электронный ресурс]. — https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5914.

4. Солнечные коллекторы [Электронный ресурс]. — http://bibliofond.ru.

5. Солнечные коллекторы [Электронный ресурс]. — http://www.webkursovik.ru.

6. Пособие по проектированию и расчету гелиосистем / И. А. Кокчаров — 2015, 32 с.

7. Дорогой коллектор для бесплатной энергии [Электронный ресурс]. — http://www.energyland.info/analitic-show-90573.

8. Харченко, Н. В. Индивидуальные солнечные установки / Н. В. Харченко. — Москва: Энергоатомиздат, 1991. — 208 с.

9. АВОК 2000/6.

10. Расчет систем солнечного теплоснабжения / У. Бекман, С. Клейн. — Москва: Энергоиздат, 1982. — 80с.

11. СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23–01–99*» — М. Госстрой России, 2012.

12. ГОСТ 28310–89 Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М.: Госстандарт, 1999.

13. Перспективы солнечного теплоснабжения [Электронный ресурс]. — https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3233.

14. Виссарионов В. И. Солнечная энергетика. Методы расчетов / В. И. Виссарионов, Г. В. Дерюгина // Москва:Солнечная энергетика МЭИ, 2008. — 317 с.

15. Аванесов В. М. Алгоритм и программа расчета сроков окупаемости энергосберегающих проектов / В. М. Ананесов, С. В. Ерохин // Энергобезопасность в документах и фактах, 2005, № 1.