4. Энергоактивные системы

Конструкции, позволяющие использовать солнечную энергию, называются энергоактивными.

Концентрационная технология использует систему зеркал для перенаправления и концентрации солнечной энергии с целью нагрева воды. Пары нагретой воды вращают турбину генератора, и вырабатывается электроэнергия, как и в обычных ТЭС. Различают три вида концентрационных станций: линейные или параболические, тарельчатого типа и башенные станции. Линейные концентрационные системы имеют длинные параболические зеркала, предназначенные для нагревания теплоносителя, который циркулирует по трубкам, установленных вдоль зеркала в фокусе параболы. Теплоноситель отдает тепло воде, и она подается на лопасти турбины или в теплотрассу. Концентраторы тарельчатого типа состоят из зеркал в форме тарелок, расположенных радиально, и направляющих солнечную энергию в теплоприемник двигателя Стирлинга. Нагретая вода двигает поршни, и механический момент вращает генератор который вырабатывает электричество.

Башенные станции состоят из большого количества гелиостатов - прямоугольных зеркал площадью несколько квадратных метров, которые фокусируют солнечные лучи на резервуаре с водой расположенном на башне. Резервуар покрыт черным светом для поглощения тепла. Дальше нагретая вода поступает потребителю. Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. ? Ташкент: Фан, 1998. - С. 45.

Солнечные коллекторы. Они улавливают прямую и рассеянную коротковолновую солнечную радиацию и превращают ее в полезную теплоту, необходимую для отопления здания или получения горячей воды. Их можно совместить с элементами панелей, стен, покрытий, балконов и т.п. Принцип действия солнечного коллектора состоит в «парниковом эффекте» - способности материала пропускать коротковолновые солнечные лучи и задерживать длинноволновую радиацию нагретых поверхностей. В результате такого селективного пропускания солнечные лучи, проходя через внешнее ограждение, нагревают теплоприемную панель, которая, в свою очередь, начинает излучать длинноволновую радиацию. А благодаря способности внешнего ограждения не пропускать длинноволновую энергию происходит значительное повышение температуры внутри ограниченного пространства.

Простейшая конструкция гелиосистемы представляет солнечный коллектор, состоящий из солнечной ловушки (или тепловой защиты) и теплоприемной панели (или гелиоприемника), и аккумулятора солнечной энергии. На поверхности солнечного коллектора расположено светопрозрачное покрытие, сделанное, как правило, из стекла или пленки, под которым имеется полное пространство. Ниже расположен гелиоприемник - теплопоглощающая панель. Вся эта конструкция помещена в металлический ящик, в нижней части которого устраивают теплоизоляцию.

Солнечная ловушка, выполненная из полупрозрачного ограждения из стекла или пленки, обладает селективным пропусканием лучистой энергии. Гелиоприемник - поглотитель солнечной энергии - должен иметь черную матовую поверхность с большим коэффициентом поглощения солнечной радиации (около 0,95-0,98). Его можно сделать из алюминия, оцинкованной стали, стекла, бетона и покрыть кузбас-лаком, ламповой чернью, термостойкой резинобитумной мастикой. Рабочую площадь гелиоприемника делают максимально большой. В некоторых случаях для увеличения количества падающей на гелиоприемник солнечной энергии устанавливают отражатели, сделанные из плоских или изогнутых пластин. Для гелиоприемников лучше использовать алюминий и сплавы из легких цветных металлов, для уменьшения общего веса архитектурного сооружения.

Важны такие показатели, как отношение площади гелиоприемника к отапливаемой площади здания - коэффициент гелиообеспечения и угол наклона гелиоприемника.

Солнечные коллекторы можно располагать на скатных и пологих крышах, в наружных стенах, в ограждении балконов, лоджий, в оконных проемах и зенитных фонарях, на цоколе дома, а также отдельно от здания на некотором расстоянии.

Тепловая защита гелиоприемника делается из одного или нескольких слоев остекления. Ее функция определяется самим названием - улавливать солнечные лучи и не давать тепловому потоку распространяться наружу, не допуская охлаждения коллектора. Исходя из этого она должна иметь хорошие теплозащитные характеристики и ее термическое сопротивление должно быть не менее чем у аналогичных не гелиотехнических конструкций.

Если тепловую защиту выполняют из двух слоев остекления, то ее термическое сопротивление должно быть больше или таким же, как у окна с двойным остеклением. Воздушная прослойка, находящаяся между стеклами, способствует повышению теплоизоляционной способности. Кроме того, прозрачность материала, из которого выполнена тепловая защита, должна быть максимальной для солнечных лучей и минимальной для теплового излучения гелиоприемника.

Аккумулятор тепла в энергоактивном ограждении предназначен для накопления и сохранения тепла, которое может быть использовано в вечерне-ночное время и по время несолнечной (пасмурной) погоды. В связи с его назначением конструкция аккумулятора должна быть теплоемкой.

В жилых домах аккумулятор делают вместе с энергоактивным ограждением или в виде отдельной теплоизолированной системы, совмещенной частично или полностью с другими частями здания.

В качестве аккумулятора тепла в здании, как уже упоминалось, можно использовать массивную плоскую панель, например железобетонную, или специально сконструированные для этих целей панели, разделенные на секции, заполненные каменной щебенкой, гравием, грунтом, панели с контейнерами (например, в виде бочек), заполненными водой или другой жидкостью, а также панели со специальными герметизированными контейнерами с перенасыщенным раствором хлористого кальция, сульфата натрия, углекислого натрия. В качестве аккумулятора можно использовать плавательный бассейн или пожарный резервуар, в качестве теплоаккумулирующего вещества часто применяют воду благодаря ее большой теплоемкости и малой вязкости.

При проектировании гелиосистем основная задача заключается в том, чтобы обеспечить достаточную площадь гелиоприемников и разместить их наилучшим образом по отношению к солнечным лучам. Оптимальное положение солнечного коллектора - наклонное, в то время как традиционное положение стен - вертикальное. Помимо этого наиболее целесообразной ориентацией коллекторов является восток-юг-запад. К сожалению, все это создает определенные трудности для проектирования и обеспечения естественным освещением здания, приводит к необходимости отыскивать наиболее целесообразные решения с учетом теплотехнических и конструктивных приемов, позволяющих создать оптимальный температурный режим внутри дома.

Тем не менее, несмотря на эти сложности, существуют различные решения, позволяющие использовать солнечную энергию в индивидуальных жилых домах. Рассмотренные ниже варианты гелиосистем для индивидуального строительства достаточно просты, их можно использовать для подогрева воды и отопления.

Если необходимо нагреть воду для душа, то простейшая активная гелиосистема будет выглядеть следующим образом. Конструкция Бак с водой окрашивают темной, лучше черной краской для увеличения коэффициента поглощения поверхности. Это способствует увеличению ее нагрева солнечными лучами. Снизу устраивают теплоизоляцию бочки к примеру - подкладывают плиту пенопласта толщиной 5-8 см.

Затем на баке или бочке укрепляют деревянные, пластмассовые или металлические рейки, к которым крепят прозрачную полиэтиленовую пленку. Ее устанавливают так, что она защищает собой верх и бока бочки или бака. Вместо пленки можно использовать и обыкновенное оконное стекло. Такое устройство, создающее «парниковый эффект», будет способствовать нагреву воды. Нагревать воду, используя солнечное тепло, можно и другим способом. На крыше гаража, южном скате крыши дома или сарая, навесе над душем устанавливают плоскую емкость для воды высотой около 20 см. Лучше, чтобы ее крыша или покрытие были выполнены из прозрачного материала.

Вместо прозрачного покрытия можно использовать теплопроводящий материал - металл. Его поверхность окрашивают в черный цвет. Затем с северной стороны, откуда не поступают солнечные лучи, устраивают теплоизоляцию из пенопласта толщиной 5-8 см. С помощью реек и полиэтиленовой пленки или строительного стекла аналогично предыдущему способу делают прозрачную защиту, позволяющую лучше нагреть воду.

Простейший солнечный нагреватель для летнего душа можно сделать из фреонового конденсатора от вышедшего из строя холодильника. Как правило, конденсатор - металлическая панель на задней стенки холодильника в виде змеевика - окрашена в черный цвет. Обращенный к солнечным лучам черный конденсатор хорошо поглощает идущее от солнца лучистое тепло и нагревает проходящую по нему воду. Если конденсатор подсоединить к нижней части бака, то находящаяся в змеевике вода будет нагреваться и подниматься вверх в бак, а более холодная из нижней части бака будет поступать в конденсатор. Таким образом, будет происходить циркуляция воды, и она равномерно прогреется по всему баку. Преимущества этого способа в том, что при включении душа и понижении уровня воды в баке ее, циркуляция не нарушится. Такую конструкцию можно использовать и для нагрева воды для мытья рук и посуды. Если солнце скроется на некоторое время за облаками, то тепло водой все равно можно пользоваться, так как нагретая в баке вода благодаря своей большой теплоемкости еще какое-то время будет сохранять тепло. При утеплении бака кусками пенопласта или другими теплоизоляционными материалами снизу и с северной стороны и установке солнечной ловушки из стекла или полиэтиленовой пленки вода будет оставаться теплой достаточно длительное время.

При желании в качестве емкости для воды вместо бака можно использовать обыкновенную автомобильную камеру. Благодаря черному цвету, резина хорошо будет поглощать солнечное тепло, и нагревать воду, находящуюся в баллоне.

Теплыми солнечными лучами можно подогреть воду не только для душа и бытовых нужд, но и для отопления. Для этого поверхность стены или ската крыши, обращенную в южную сторону, красят в темный или черный цвет. По периметру выбранного участка делают каркас из деревянных реек. Сечение реек принимают 5x8 см. На черной поверхности располагают зачерненную металлическую трубку диаметром 8-30 мм в виде змеевика с шагом 10-15 см. Вместо металлической трубки можно использовать черный резиновый шланг. Установленные трубки или шланг, образующие самодельный коллектор, остекляют по каркасу оконным стеклом в один, а лучше в два слоя.

Если коллектор устраивают на стене, имеющей низкую теплозащиту, на так называемой холодной стене, то надо сделать утепление с внутренней стороны участка ограждения, находящегося под коллектором Кроме того, чуть выше изготовленного коллектора надо установить бак (например, на чердаке) и изолировать его пенопластом или другим теплоизоляционным материалом. Затем к нему подключить трубки или шланги таким образом, чтобы верхний вывод коллектора был подключен к верхней, а нижний - к нижней части бака. Подключив трубки к системе водоснабжения, можно будет пользоваться горячей водой, нагретой солнечной энергией.

Особое внимание надо обратить на торцевые стены здания, не имеющие окон, или глухие части стен, обращенные на южную сторону. Эти поверхности, можно сказать, специально предусмотрены для размещения на них солнечных коллекторов. Преимущество таких участков состоит в том, что для устройства коллекторов не надо делать перестройку и перепланировку жилого дома.

Кажется, что солнечную энергию для отопления, нагрева воды и других нужд целесообразно использовать только в жарких солнечных районах Африки, Америки, на Канарских островах, на Черноморском побережье и т.д.

Возможность же применения солнечного тепла для этих целей в Центральных районах Европейской части у многих вызывает скептическое отношение. Дело в том, что ясная солнечная погода в Европе может установиться как на длительный срок, так и на непродолжительный период.

Переменная облачность характерна и для России. А солнце, периодически появляющееся на небе и скрывающееся за тучами, не может обеспечить стабильную работу классической гелиоустановки. Поэтому для районов с неустойчивой погодой целесообразно комбинировать гелиосистему с традиционными отопительно-нагревательными установками, либо использовать гелиосистемы на основе вакуумных коллекторов.

В большинстве вакуумных коллекторов применяется метод фокусировки солнечного излучения. В них достигаются самые высокие температуры. Системы зеркал или увеличительных стекол концентрируют солнечное излучение на трубчатом радиаторе, заполненном жидкостью. Последняя очень быстро нагревается и поступает в общую отопительную систему здания.

Принцип работы вакуумного коллектора в внешним отбором тепла теплоносителем. Солнечные лучи нагревают, покрытую специальным слоем, пластину-испаритель, которая помещена в трубку из боросиликатного стекла с двойными стенками. Внутри трубки создан глубокий вакуум, который создает эффект термоса и препятствует передаче тепла окружающему воздуху. Солнечные коллекторы, в зависимости от их типа, позволяют использовать до 75% суммарного излучения. Даже в сильный мороз при штормовом ветре, потери тепла ничтожны. Вместо этого, тепло передается медной трубке, содержащей разновидность гликоля с низкой температурой кипения. Горячие пары жидкости поднимаются вверх и попадают в расширяющуюся часть медной трубки. Здесь пары конденсируются и стекают обратно, предварительно отдав тепловую энергию жидкости-теплоносителю, которая циркулирует в системе. Обычно - это антифриз. Теплоноситель не омывает трубку непосредственно, а протекает в герметичном медном теплообменнике, в который вставляются трубки. Для лучшей теплопередачи используется специальная теплопроводная паста. Если трубку извлечь из теплообменника, утечки антифриза не будет. Этим качеством коллектор такого типа выгодно отличается от более простых моделей, у которых теплоноситель циркулирует непосредственно в вакуумной трубке. Для контроля вакуума, на стенки трубок в нижней части, нанесено соединение бария, имеющее зеркальный блеск. При попадании внутрь атмосферного воздуха, покрытие становится молочно-белым.

Строительство энергоэффективных районов или поселков по сравнению со строительством отдельных демонстрационных энергоэффективных зданий позволяет на принципиально более высоком уровне внедрить энергосберегающие технологии.

К примеру, в Финляндии построен квартал VIIKKI. В жилом районе демонстрируются новые солнечные комбинированные системы, интеграция коллектора с крышей, системы пассивного использования солнечной радиации, параллельное использование систем солнечного обогрева и систем централизованного теплоснабжения, в солнечных коллекторах используются модули большой площади (с размером блока коллектора 10 м²). Коллекторы общей площадью 1248м² обеспечивают до 2/3 потребностей квартала в тепле.

Таким образом, технологии вакуумных коллекторов являются наиболее перспективным направлением использования солнечной радиации для теплоснабжения зданий.