мощность на выходе может составить до 30 % от максимального значения. Снег на панелях не скапливается, потому что они, как правило, поворачиваются за солнцем. Если снег все же накопился, то он обычно быстро тает. По механической прочности солнечные панели могут выдерживать град размером с мяч в диаметре до 5 см.

Энергия, получаемая от солнечной панели, будет больше, если она снабжена приводом, обеспечивающим поворот панели за солнцем подобно подсолнечнику. Существует два типа таких приводов:

–привод с одной осью, который обеспечивает ориентацию панели в одной плоскости (в течение дня) при движении солнца с востока на запад;

–привод с двумя осями, обеспечивающими ориентацию панели в одной плоскости, как в течение дня при движении солнца с востока на запад, так и в другой плоскости при смене сезонов в течение года при перемещении солнца с севера на юг. Энергия, получаемая от конструкций, отслеживающих движение солнца, на 40 % больше энергии, получаемой от зафиксированных солнечных панелей.

3.3. Солнечные коллекторы

Солнечное теплоснабжение (СТС) как направление использования солнечной энергетики (СЭ) является наиболее освоенным. В основе таких систем лежит использование устройств, преобразующих солнечную радиацию в теплоту. Главным элементом таких устройств является солнечный коллектор (СК), поглощающий солнечные лучи с преобразованием их в тепловую энергию.

Установки СТС используются для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха в жилых, общественных, санаторнокурортных зданиях, подогрева воды в плавательных бассейнах и в различных процессах промышленного и сельскохозяйственного производства.

Опыт эксплуатации этих установок показывает следующее [2]:

в системах солнечного горячего водоснабжения (СГВС) замещается около 40…60 % годового расхода топлива в зависимости от района расположения установок;

в системах солнечного отопления и СГВС замещается 20…50

%топлива;

«пассивные» системы отопления зданий позволяют снижать энергопотребление домов до 40 %, а в отдельных случаях – до 70 %.

В настоящее время в мире работает более 2 млн СГВС и 250 тыс систем солнечного отопления (ССО). В ССО широко используются тепловые насосы.

Наибольшей суммарной площадью установленных солнечных коллекторов располагают США – 10 млн м² , далее следуют: Япония – 8 млн м² , Израиль – 1,7 млн м² , Австралия – 1,2 млн м² .

84

Годовая производительность СГВС с температурой воды 30…40 ºС оценивается в 300…650 кВт∙ ч/м². Для получения 200…300 л/день такой воды необходима общая площадь коллектора 5…8 м². Производительность отопительных установок с температурой 35…70 ºС составляет 150…300 кВт∙ ч/м². Стоимость 1 м² солнечного коллектора составляет (долл. США):

США ………………………………. 250…300 Германия…………………………… 400

Австрия и Швейцария……………… 800 Великобритания……………………. 300

Австралия…………………………… 200 Испания……………………………… 73.

ВЯпонии работает около 310 тыс солнечных бытовых и промышленных установок тепло- и хладоснабжения.

Во Франции более 30 тыс жилых домов используют солнечные коллекторы для отопления.

КНР имеется 100 тыс м² площади солнечных коллекторов мощностью от 300 до 1200 Вт, используемых в основном для «солнечных кухонь».

ВРФ программа «Экологически чистая энергетика» предусматривает развитие систем солнечного отопления и горячего водоснабжения для индивидуальных жилых домов, сельскохозяйственных, курортных и некоторых производственных объектов.

Общая потребность РФ в солнечных коллекторах оценивается миллионами квадратных метров, а 1 м² коллектора обеспечивает замещение до

0,15 т у.т. в год.

Простейшая и наиболее дешевая система солнечного горячего водоснабжения основана на термосифонном принципе.

Система состоит из солнечного коллектора и расположенного выше него бака-аккумулятора горячей воды. Плотность воды, нагретой в коллекторе, меньше, чем плотность более холодной воды в нижней части бака- аккуму-лятора, в результате чего в контуре возникает циркуляция

(рис.3.20).

Когда бак-аккумулятор не может быть расположен выше коллектора (например, в системе отопления плавательного бассейна), тогда циркуляция воды осуществляется насосом (рис. 3.21).

Помимо небольших солнечных систем теплоснабжения, рассчитанных на односемейный дом, все большее распространение получают системы, способные удовлетворить потребности многоквартирного дома или даже жилого района.

Такая система состоит из центрального блока теплоснабжения, распределительной сети, других тепловых источников и тепловых аккумуля-

85

торов (рис. 3.22). В ряде городов РФ эксплуатируются солнечнотопливные котельные. Солнечные приставки могут выполняться ко всем котельным, работающим по открытой схеме (т. е. на нужды горячего водоснабжения) при наличии территории для размещения СК.

Нагретая вода

Холодная

вода

Коллектор

Холодная подача

Рис. 3.20. Солнечный водонагреватель с естественной циркуляцией

Солнечный

коллектор

регулятор

холод

насос

Тепло

Рис. 3.21 . Солнечный водонагреватель бассейна с принудительной циркуляцией

86

Рис. 3.22. Нагревательная система с изолированной накопительной емкостью и принудительной циркуляцией

Гелиоприставки можно сооружать к существующим котельным и вновь проектируемым. Мощность солнечных приставок может составлять 5…30 % от мощности котельных, в среднем порядка 15 %.

Из низкотемпературных гелиоустановок наиболее распространен плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ).

Для того, чтобы изготовить плоский КСЭ, необходимо в первую очередь иметь лучепоглощающую поверхность, которая должна иметь надежный контакт с рядом труб или каналов для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб для теплоносителя образует единый конструктивный элемент – абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверхность абсорбера должна быть окрашена в черный цвет или иметь специальное поглощающее покрытие. Снижение тепловых потерь от абсорбера в окружающее пространство достигается за счет использования теплоизоляции, которая закрывает нижнюю поверхность абсорбера, и светопрозрачной изоляции, размещаемой над абсорбером на определенном расстоянии от него. Все перечисленные элементы помещаются в корпус, и производится уплотнение прозрачной изоляции – остекления. Таким образом, получается плоский коллектор для нагрева жидкости, общий вид которого показан на рис. 3.23.

87

Максимальная температура, которую можно получить в этом устройстве, достигает 80 ºС. Температура зависит от климатических условий и характеристик коллектора.

Основным элементом вакуумированного приемника является двойная трубка. Внешняя трубка изготовлена из стекла, так как оно прозрачно для солнечного излучения, но непрозрачно для теплового. Внутренняя трубка также обычно изготавливается из стекла, широко используемого в вакуумной технике. Степень обезгаживания отожженного стекла (пирекса) такова, что давление может поддерживаться ниже 0,1 Па в течение 300 лет, что в 10 раз дольше, чем при использовании медной трубки. Внутренняя трубка имеет кольцевое сечение. Это позволяет довольно хрупкому стеклу противостоять действию напряжений, возникающих в нем из-за перепада давлений между жидкостью внутри трубки и вакуумом снаружи. Соответствующим образом соединяя такие трубки, можно сконструировать приемник, который будет принимать как направленное, так и диффузное солнечное излучение.

Рис. 3.23. Конструктивные элементы плоского коллектора солнечной энергии

Возможный вариант конструкции выполнения вакуумированного стеклянного солнечного коллектора представлен на рис. 3.24.

88

Обычно модуль коллектора включает ряд стеклянных вакуумированных труб, присоединенных к общей трубе, по которой движется нагреваемая жидкость.

Для повышения эффективности вакуумированных коллекторов используются селективные покрытия и отражатели. На внутреннюю поверхность верхней части стеклянной оболочки наносят покрытие из диоксида индия, обладающее хорошей отражательной способностью для инфракрасного излучения и не влияющее на коэффициент пропускания коротковолнового солнечного излучения. Отражающая поверхность может быть размещена под стеклянной оболочкой на небольшом расстоянии от нее. Можно использовать даже плоский белый экран, который полезен еще и потому, что возвращает часть радиационных потерь тепла обратно к внешней трубке. Это еще больше повышает КПД солнечного коллектора благодаря использованию рассеянного излучения.

В качестве теплоносителя используются различные среды: вода, растворы органических веществ и силиконовое масло. Температура нагрева теплоносителя достигает 90…300 ºС.

Рис. 3.24. Вакуумный стеклянный трубчатый коллектор

89