Солнечные системы горячего водоснабжения

В следующий раз, когда вы получите действительно большой счет за электричество или газ, ваши мысли могут вернуться к солнечным батареям.Разве не было бы хорошо, если бы вы могли получать всю необходимую вам энергию от Солнца? Миллионы людей уже получают энергию таким образом, хотя в основном в виде тепла, а не электричества. Солнечные электрические панели (также называемые солнечными батареями или фотогальваническими элементами), которые преобразуют солнечный свет в электричество, только сейчас становятся по-настоящему популярными; солнечные тепловые панели, которые используют солнечный свет для производства горячей воды, были обычным явлением на протяжении десятилетий. Даже в относительно холодном северном климате солнечные системы горячего водоснабжения могут значительно сократить ваши счета за топливо. Типичные системы производят от 10 до 90 процентов вашей горячей воды и окупаются примерно через 10–15 лет (даже раньше, если вы используете их для чего-то вроде бассейна). Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Приготовление горячей воды бесплатно (ну, во всяком случае, после того, как вы заплатили за оборудование). Эта большая система солнечного отопления находится на обращенной к солнцу крыше дома в Голдене, штат Колорадо. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Содержание

1. Как построить систему солнечного отопления
2. Части гелиотермальной системы горячего водоснабжения
3. Как работают солнечные тепловые панели
4. Насколько хороша солнечная тепловая энергия?
5. Узнать больше

Как построить систему солнечного отопления

Представьте, что вы изобретатель, которому поручено разработать систему, способную нагреть столько горячей воды, сколько вам нужно в вашем доме. Вы, наверное, замечали, что вода долго нагревается? Это потому, что он очень хорошо удерживает тепловую энергию. Мы говорим, что он обладает высокой удельной теплоемкостью, и поэтому мы используем его для транспортировки тепловой энергии в системах центрального отопления. Так можем ли мы разработать простую систему солнечного отопления, использующую только воду?

Поставьте пластиковую бутылку с холодной водой на окно, на солнце, и через несколько часов она довольно заметно нагреется. Проблема в том, что на бутылке воды далеко не уедешь, если в доме полно людей.Как сделать больше горячей воды? Самым простым решением было бы наполнить много бутылок водой и поставить их в ряд на подоконник.

Или, может быть, вы могли бы быть более хитрым. Что, если вы отрежете верхнюю и нижнюю часть пластиковой бутылки и установите трубы на каждом конце, подводя трубы к баку с горячей водой вашего дома, чтобы создать полный водяной контур. Теперь установите насос где-нибудь в этой петле, чтобы вода циркулировала бесконечно. Что произойдет, так это то, что солнечный свет будет систематически нагревать всю горячую воду в вашем резервуаре (хотя она никогда не станет особенно теплой, потому что пластиковые бутылки, стоящие на подоконниках, не так блестяще собирают тепло). Но теоретически у вас есть работающая система солнечного отопления, которая не более чем в миллионе миль от тех, которые люди установили в своих домах. Это очень грубо, но работает точно так же.

На фото: Трубы, по которым горячая вода поступает на крышу, к солнечно-тепловому коллектору и в ваш дом. Плотные резиновые уплотнители (воротники) также препятствуют попаданию холодного дождя! Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Рекламные ссылки

Части гелиотермальной системы горячего водоснабжения

На практике системы солнечного отопления немного сложнее, чем это. Это основные части:

Коллекционер

Это техническое название большой черной панели, которая находится на вашей крыше. Небольшие дома (или дома в более жарком климате) могут обойтись гораздо меньшими панелями, чем большие дома (или дома в более холодном климате); обычно коллекторы различаются по размеру примерно от 2–15 квадратных метров (~ 20–160 квадратных футов). Неудивительно, что коллекторы работают наиболее эффективно на крышах, которые имеют прямой, свободный вид на Солнце (с небольшим количеством деревьев или зданий на пути). Вообще говоря, существует два типа коллекторов, известных как плоские и вакуумные трубки.

Плоские коллекторы

Плоские пластины — самые простые коллекторы: по сути, они представляют собой не более чем водопроводные трубы, проходящие через неглубокие металлические коробки, покрытые толстым черным стеклом. Стекло собирает и удерживает тепло (как в теплице), которое вода, протекающая по трубам, подхватывает и передает в бак с горячей водой.

Фото: типичная солнечная панель горячего водоснабжения использует такой плоский коллектор. Фото Алана Форда, предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Вакуумные трубы

Эти немного более изощренные. Они выглядят как ряд расположенных бок о бок флуоресцентных ламп, за исключением того, что они поглощают свет, а не отдают его. Каждая трубка в ряду на самом деле состоит из двух стеклянных трубок, внутренней и внешней, разделенных изолирующим вакуумным пространством (как термосы).

Фото: Вакуумный трубчатый коллектор. Обратите внимание на серый коллектор вверху и белую водопроводную трубу, протекающую через него. Фото Кента Булларда, предоставлено Службой национальных парков США и Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Как это работает? Вкратце, у нас есть ряд параллельных вакуумированных труб (синие), которые получают концентрированную солнечную энергию от параболических отражателей по обеим сторонам (желтые), которую они направляют в комбинированный теплообменник и коллектор (коричневые), через которые горячая вода (или какое-то количество другая жидкость) вытекает из входных и выходных труб.

Работа: типичная солнечная панель с вакуумными трубками. Изображение из патента США 4,474,170: солнечный коллектор с вакуумной трубкой из стеклянной тепловой трубы, авторы Роберт Д. МакКоннелл и Джеймс Х. Вансант, Министерство энергетики США, 2 октября 1984 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Немного подробнее: внутренняя трубка покрыта светопоглощающим химическим веществом и заполнена медным проводником и летучей жидкостью, которая нагревается, испаряется, переносит свое тепло вверх по внутренней трубе к собирающему устройству (называемому коллектором) на верхняя часть, где она конденсируется и возвращается в нижнюю часть трубы, забирает больше тепла.Коллектор собирает тепло от всего ряда труб и переправляет его в бак с горячей водой. В отличие от плоских коллекторов, вакуумные трубки не пропускают столько тепла обратно, поэтому они более эффективны. Однако, поскольку они немного более высокотехнологичны и сложны, они обычно намного дороже.

Художественное произведение: Подробный обзор работы вакуумного трубчатого коллектора. 1) Медь во внутренней трубе поглощает солнечное тепло и испаряет летучую жидкость. 2) Испаряющаяся жидкость поднимается по трубе к верхнему коллектору и отдает свое тепло. 3) Вода, текущая по коллектору, забирает тепло от всех подключенных к ней трубок. 4) Жидкость конденсируется и падает обратно в трубку, чтобы повторить процесс.

Бак горячей воды

Нет смысла собирать тепло с крыши, если его негде хранить. Если повезет, в вашем доме уже есть бак для горячей воды (если только у вас нет так называемого газового «комбинированного» котла, который мгновенно нагревает воду), который можно использовать для хранения тепла от вашего коллектора; это своего рода батарея «горячей воды», которую вы нагреваете в удобное для вас время (обычно ночью), готовую к использованию в течение дня. Если у вас нет бака для горячей воды, вам необходимо установить его. Чем больше людей в вашей семье, тем больший бак вам понадобится. Типичный резервуар для семейного дома может составлять около 100–200 литров (30–60 галлонов).

Теплообменник

Как правило, солнечные панели работают за счет передачи тепла от коллектора к баку через отдельный контур и теплообменник. Тепло, собранное панелью, нагревает воду (или масло, или другую жидкость), которая течет по контуру труб в медный змеевик внутри вашего бака с горячей водой. Затем тепло передается в бак с горячей водой, а охлажденная вода (или жидкость) возвращается в коллектор, чтобы набрать больше тепла. Вода из коллектора на самом деле никогда не стекает в ваш резервуар: вода, которая была на вашей крыше, никогда не выходит через кран!

Фото: другая и гораздо более крупная солнечная система горячего водоснабжения.Этот использует параболические зеркала, чтобы собрать энергию Солнца и направить ее на водопроводные трубы, проходящие через их центры. Вода перекачивается обратно в здание на заднем плане (тюрьма округа Джефферсон в Голдене, штат Колорадо). Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Насос

Вода не течет между коллектором и баком сама по себе: вам нужен небольшой электрический насос, чтобы заставить ее циркулировать. Если вы используете обычное электричество для подачи воды, энергия, потребляемая насосом, компенсирует некоторые преимущества использования солнечной тепловой энергии, снижает получаемую вами выгоду и увеличивает время окупаемости. В некоторых солнечно-термальных системах вместо этого используются солнечно-электрические (фотоэлектрические) насосы, что означает, что они полностью работают на возобновляемых источниках энергии. Хорошая вещь в такой конструкции заключается в том, что солнечный насос наиболее активен в действительно солнечные дни (когда вырабатывается большая часть горячей воды) и менее активен в холодные, пасмурные дни (когда, возможно, вы не хотите, чтобы ваша солнечная панель вообще работать).

Система контроля

Если сейчас середина зимы и ваша крыша замерзает, последнее, что вам нужно, это перекачивать ледяную воду в бак для горячей воды! Таким образом, обычно есть система управления, прикрепленная к солнечной тепловой панели с клапаном, который может отключить водяной контур в холодную погоду. Типичная система управления может включать некоторые или все из следующего: насос, расходомер, манометр, термометр (чтобы вы могли видеть, насколько горячая вода) и термостат (чтобы отключить насос, если вода становится слишком горячей).

Как работают солнечные тепловые панели

Теоретически

Вот краткое изложение того, как работают солнечные панели с подогревом воды на крыше:

1. В самых простых панелях Солнце нагревает воду, текущую по контуру через коллектор (панель на вашей крыше).
2. Вода, выходящая из коллектора, горячее воды, поступающей в него, и переносит свое тепло в бак с горячей водой.
3. Вода на самом деле не входит в ваш бак и не заполняет его. Вместо этого он течет в трубу с одной стороны резервуара и выходит из другой трубы с другой стороны, проходя через змеевик медных труб (теплообменник) внутри резервуара и отдавая свое тепло по пути.
4. Вы можете в любой момент слить горячую воду из бака, не влияя на работу панели. Поскольку панель не будет нагреваться все время, вашему аквариуму также понадобится другой источник нагрева — обычно либо газовый котел, либо электрический погружной нагреватель.
5. Холодная вода из теплообменника возвращается в панель, чтобы набрать больше тепла.
6. Электрический насос (работающий от обычной электросети или от солнечной батареи (фотоэлектрической) на крыше поддерживает движение воды по контуру между коллектором и резервуаром для воды.

На практике

Конечно, это немного сложнее, чем это! Что делать, если сейчас зима и на улице нет полезного солнечного тепла? Вы не хотите, чтобы солнечная система качала холодную воду в ваш дом, но вам все равно нужна горячая вода. А если совсем холодно? Вам нужно будет предотвратить замерзание вашей солнечной системы, поэтому было бы полезно время от времени прокачивать через нее горячую воду из вашего дома. Вот почему типичная солнечная система будет больше похожа на эту, с двумя взаимосвязанными водяными контурами.

Работа: Однотрубная система солнечного отопления. Иллюстрация из патента США 4 191 329: Однотрубная солнечная система горячего водоснабжения Уильяма Э. Гислина, Solartech Systems Corporation, опубликована 4 марта 1980 г. с любезного разрешения Управления по патентам и товарным знакам США.

Один (фиолетовый) перекачивает воду через солнечную панель, как мы видели выше, и вниз в резервуар внутри вашего дома. Он подключен ко второму контуру (красный) с обычным баком для горячей воды, который может нагреваться электричеством, печью на природном газе или какой-либо другой стандартной формой отопления. В жаркие дни вы эффективно улавливаете горячую воду в фиолетовом контуре, а затем отводите ее по красному контуру в свой дом.В холодные дни вы можете отключить фиолетовый контур с помощью различных клапанов или отвести воду из красного контура через фиолетовый контур, чтобы она не замерзла.

Насколько хороша солнечная тепловая энергия?

«…Одним из наиболее эффективных и действенных шагов, которые может предпринять правительство, является поощрение использования солнечных систем горячего водоснабжения — хорошо разработанного и относительно низкотехнологичного метода использования солнечной энергии».

Ларри Хантер, The New York Times (Op Ed), 2009 г.

С точки зрения чистой эффективности солнечные тепловые панели более чем в три раза эффективнее (50 процентов или около того) при сборе энергии, чем солнечные электрические (фотоэлектрические) панели (обычно около 15 процентов), но это не значит, что они в три раза эффективнее. лучше: все зависит от того, что вы хотите от солнечной энергии.

Если вы живете в семейном доме, где люди все время принимают ванны и душевые, особенно летом, солнечная тепловая энергия имеет смысл. Приличная система должна быть в состоянии производить от половины до двух третей общего годового объема горячей воды дома (всю горячую воду в разгар лета и намного меньше зимой).

Очевидным недостатком солнечной термальной энергии является то, что она не производит ничего, кроме горячей воды, а вы можете сделать с ней не так много; в отличие от фотогальваники, солнечные тепловые панели не могут помочь вам отапливать дом или производить по-настоящему универсальную высококачественную энергию в виде электричества.

Типичный срок окупаемости солнечной тепловой энергии (когда ваши первоначальные капитальные вложения окупились за счет экономии топлива) составляет около десяти лет с диапазоном от 5 до 15 лет (в зависимости от стоимости топлива, которое вы экономите, от того, сколько солнечной энергии вы используете). получает ваш дом и сколько горячей воды вы используете).

Вот очень грубое сравнение сроков окупаемости различных видов зеленой энергии. Это полностью зависит от того, что вы устанавливаете, что вы заменяете, какое существующее топливо вы не используете вместо этого, сколько вы использовали старые и новые системы и различные другие факторы (например, налоговые льготы), поэтому, пожалуйста, не принимайте цифры слишком буквально.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

• Изменение климата и глобальное потепление
• Теплоизоляция
• Тепловые насосы
• Пассивная солнечная энергия
• Возобновляемая энергия
• Солнечные элементы и солнечные панели
• Ветряные турбины

Статьи

Популярная наука и новости

• Солнечные тепловые панели последними пострадали из-за сокращения субсидий в Великобритании Ассоциацией прессы. Хранитель. 4 марта 2016 г. Сейчас самое время инвестировать в «зеленую» энергетику, но сокращение государственных субсидий делает ее менее привлекательной.
• Интерес к солнечному нагреву воды распространяется по всему миру, Кейт Гэлбрейт. The New York Times, 3 сентября 2014 г. В этой статье сравнивается внедрение систем нагрева воды с помощью солнечной энергии по всему миру, от Кипра (где 90 процентов домов имеют эту технологию) до Китая (где стоимость установки составляет менее одной десятой стоимости американской системы). ).
• Домохозяйства вряд ли возместят затраты на установку солнечного отопления в течение 30 лет, Дункан Кларк. Хранитель. 21 сентября 2012 г. Дома с масляным отоплением могут окупить свои затраты за 20 лет, а дома с газовым отоплением вряд ли окупятся за 30 и более лет.
• Солнечное отопление «может обеспечить более половины горячей воды в домохозяйствах», Адам Воан. Хранитель. 13 октября 2011 г. Крупное исследование солнечных систем горячего водоснабжения показало, что они очень эффективны в Великобритании, но не позволяют ежегодно экономить много денег по сравнению с высокой первоначальной стоимостью установки.
• Эксперименты в области централизованного теплоснабжения, Джон Лоринк, The New York Times, 3 марта 2009 г. Как солнечно-тепловая энергия может работать в масштабах сообщества.
• А вот и солнечный дождь, Ларри Хантер. Нью-Йорк Таймс. 9 февраля 2009 г. Почему правительству США следует поощрять более широкое использование солнечных систем горячего водоснабжения.
• Оценка стоимости и энергоэффективности солнечного водонагревателя: Energy.Gov Energy Saver.Суммы складываются для солнечной горячей воды? Вот как сделать ваши расчеты в Соединенных Штатах.

Более техническое

• Концентрация солнечной тепловой энергии Ганса Мюллера-Штайнхагена. Философские труды: математические, физические и технические науки, Vol. 371, № 1996, 13 августа 2013 г., стр. 1–21. Подробный обзор крупномасштабных солнечных тепловых электростанций и той роли, которую они могут сыграть в нашем низкоуглеродном будущем.

Книги

• Планирование и установка солнечных тепловых систем: руководство для монтажников, архитекторов и инженеров Немецкого общества солнечной энергии. Taylor and Francis, 2018. Англоязычная версия очень успешного немецкого справочника по гелиоустановкам.
• Основы солнечного отопления дома: Руководство по зеленой энергии Дэна Чираса. Новое общество, 2012. В этой книге исследуются различные виды солнечной энергии, которые мы можем использовать. Глава 9 подробно описывает солнечные системы нагрева горячей воды.
• Солнечные тепловые технологии для зданий: современное состояние, Матеос Сантамоурис (ред.). Earthscan, 2013. Краткий обзор передовых представлений о пассивном и активном нагреве и охлаждении.
• Солнечная энергия: в этой главе своей книги «Устойчивая энергетика без горячего воздуха» Дэвид Маккей приводит цифры и исследует, сколько энергии мы можем с пользой производить из солнечных тепловых и фотогальванических панелей.
• Дизайн солнечных тепловых электростанций Чжифэн Ван. Chemical Industry Press, 2019. Хотя это не касается отечественной солнечной тепловой энергии, она может представлять интерес, если вы хотите изучить, как солнечные тепловые технологии могут быть развернуты в гораздо большем масштабе.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подписывайтесь на нас

Оценить эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям с помощью: