Солнечный водонагреватель — устройство для нагрева воды.

Солнечный водонагреватель является разновидностью Солнечного коллектора и обычно имеет более простую конструкцию, облегчающую и удешевляющую его изготовление.

Весь юмор заключается в том, Солнечный водонагреватель и особенно Солнечный коллектор имеет КПД значительно выше, чем солнечные батареи. Именно поэтому крупные Солнечные электростанции используют нагрев теплоносителя и паровые турбины, а не множество Солнечных батарей.

Простейший (и не очень) Солнечный водонагреватель можно изготовить самостоятельно, но сначала желательно изучить опыт гигантов, взобравшись на их плечи:

Солнечный водонагреватель

Солнечный водонагреватель — разновидность солнечного коллектора. Предназначен для производства горячей воды путём поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

История

Первый солнечный водонагреватель был создан в 1767 году швейцарским ботаником Орасом Бенедиктом де Соссюром и по своей мощности он позволял приготовить суп.

Современный тип водонагревателей был создан в 1953 году в Израиле инженером Леви Иссаром и усовершенствован доктором Цви Тавором в 1955 году, за что получил спустя 3 года премию в 1000 израильских лир от премьер-министра страны Давида Бен-Гуриона.

Устройство

Трубки водонагревателя

Солнечный водонагреватель с вакуумным коллектором, наиболее эффективный, хотя и самый дорогой, состоит из двух основных элементов:

• наружного блока — солнечных вакуумных коллекторов;
• внутреннего блока — резервуара-теплообменника.

Наружный блок состоит из вакуумных трубок, с нанесенным с внутренней стороны селективным покрытием в несколько слоев и отражающего слоя. Данное покрытие имеет самое важное значение в работе солнечных коллекторов.

Эффективность селективного покрытия измеряется коэффициентом поглощения (α) солнечной энергии, относительной излучающей способностью (ε) длинноволновой тепловой радиации и отношением поглощательной способности к излучательной (α/ε). Основные виды селективных покрытий, используемых для вакуумных коллекторов: Al-N-Al, Al-N/SS/CU

Солнечный вакуумный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, ослабляя зависимость от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии коллекторов достигает 98 %, но из-за потерь, связанных с отражением света стеклянными трубками и их неполной светопроницаемостью, он ниже.

КПД солнечных коллекторов в первом приближении может быть рассчитан по следующей формуле:

, где

 — номинальный (оптический) КПД установки при нормальных условиях,

 — коэффициент, зависящий от типа и теплоизоляции коллектора,

 — разность температур теплоносителя и окружающего воздуха (гр. С),

E — инсоляция (Вт/кв.м.).

Данные для некоторых типов коллекторов приведены ниже.

Тип коллектора	Номинальный КПД	Коэффициент
Плоский солнечный коллектор	72-75	3-5
Вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками	60-65	0,7-1,1
Пластиковый солнечный коллектор	50-60	до 80

Солнечные коллекторы преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Инфракрасное излучение, которое проходит сквозь облака, также поглощается и преобразуется в тепло.

Резервуар-теплообменник представляет собой систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный отопитель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной энергии. Нагретая вода поступает из теплообменника внутреннего блока в радиаторы системы отопления, а вода из резервуара используется для горячего водоснабжения.

Подогреватель газовый или электрический должен ставиться не параллельно солнечному нагревателю (в этом случае он будет греть холодную воду), а обязательно последовательно, после солнечного нагревателя. Тогда его вклад в нагрев будет минимальным, поскольку он будет только догревать воду, уже нагретую солнцем.

Типы солнечных водонагревателей

Пассивный водонагреватель

Солнечные водонагреватели могут быть активного или пассивного типов. Активная система использует электрический насос для циркуляции жидкости через коллектор; пассивная система не имеет насоса и полагается только на естественную циркуляцию. Есть экспериментальные образцы, где перекачка теплоносителя производится стирлинг-насосом, получающим энергию от солнца.

Пассивные системы

Пассивные (Термосифонные) системы перемещают готовую воду или теплоноситель через систему за счёт естественной гравитации, возникающей при разности плотностей нагретого и охлажденного теплоносителя. Пассивные системы с конвекцией дешевле, чем активные системы, но и менее эффективны из-за медленной циркуляции в системе. Системы с тепловыми трубами более дорогие, чем конвективные, но имеют меньшие эксплуатационные затраты. Кроме того, системы с тепловыми трубами позволяют перекачивать тепло вниз, то есть против сил конвекции. Характеристики сильно зависят от конкретного типа труб.

• Пример системы с пассивной циркуляцией теплоносителя (двухконтурная).
• 
  Безнапорная система с пассивной циркуляцией теплоносителя.
• 
  Пример системы с активной циркуляцией теплоносителя (с системой догрева от котла на традиционном топливе).

Активные системы

Активные системы используют электрические насосы, клапаны и контроллеры для циркуляции теплоносителя через коллектор. Они обычно более дорогие, чем пассивные системы, но и более эффективны.

Активные системы с открытым контуром

Активные системы с открытым контуром используют насосы для циркуляции воды через коллекторы. Активные системы с открытым контуром являются популярными в регионах с положительными температурами или при сезонном использовании. Могут эксплуатироваться при температурах воздуха до −20 °C или −25 °C.

Активные системы с закрытым контуром

В этих системах теплоносителем коллектора является обычно водно-гликолиевый антифриз. Теплообменники передают высокую температуру от теплоносителя первого контура воде, которая запасена в баках (теплоаккумуляторах).

Системы с закрытым контуром популярны в областях, подвергающихся продолжительно действующим отрицательными температурам, так как они имеют хорошую защиту от замораживания.

В связи с высокими значениями температуры при застое теплоносителя в периоды максимальной облученности не все антифризы пригодны для использования в солнечных системах.

С коллектором панельного типа

Устройство плоского коллектора.

Наибольшую популярность получили нагреватели с плоским коллектором, или панельные. В солнцеизбыточных регионах (Турция, Южные районы КНР, Саудовская Аравия и т. д.) в качестве абсорбера в таких коллекторах используется пластина из алюминия или стали.

Значения КПД таких коллекторов невелико, что компенсируется высокими (избыточными) величинами солнечной облученности поверхности в этих регионах.

Для величин солнечной облученности (инсоляции) даже южных регионов России требуются коллекторы с пластиной из меди со специальным покрытием. Из-за высокой теплопроводности меди удельные значения теплопередачи энергии теплоносителю и общий КПД значительно выше.

С коллектором вакуумного типа

Вакуумные трубки

За счет использования тепловых трубок в конструкции вакуумных коллекторов достигается больший КПД при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

В то же время использование дополнительного теплового контура приводит к неизбежным потерям, связанным с передачей тепла между средами, поэтому при температурах выше +15 градусов эффективность вакуумных коллекторов практически совпадает, а иногда и ниже, чем у плоских коллекторов.

За счёт качественных многослойных высокоселективных покрытий и вакуумирования современный солнечный коллектор способен улавливать солнечную энергию в очень широком спектре излучения (значительно шире видимого спектра).

Существует несколько основных типов вакуумных солнечных коллекторов:

• 1. Колба в колбе.
• 2. Колба в колбе с тепловой трубкой.
• 3. Вакуумированная колба.

Колба в колбе

В коллекторах первого типа нагрев теплоносителя происходит при контакте с селективным покрытием стеклянной колбы. В качестве теплоносителя может выступать как вода, так и антифриз (или его смесь с водой). Такие системы работают при отсутствии избыточного давления со стороны теплоносителя, так как не могут быть эффективно гидроизолированы. Чаще всего это системы с пассивной циркуляцией теплоносителя.

Колба в колбе с тепловой трубкой

В коллекторах с использованием колб второго типа применяются медные тепловые трубки. Передача тепла с абсорбера к трубке осуществляется с помощью ребер. Тепловая трубка передает тепло в конденсатор тепловой трубки, который присоединен к коллектору, в котором происходит циркуляция теплоносителя.

Вакуумированная колба

Главным отличием колб третьего типа является вакуумная теплоизоляция медной тепловой трубки. Если в колбах первого и второго типа вакуумная прослойка находится между стеклянными стенками колб, то в вакуумированных колбах и абсорбер, и тепловая трубка находятся при пониженном давлении воздуха. Кроме того, наличие лишь одного слоя стекла вместо двух увеличивает КПД установки.

• 
  Колба в колбе с тепловой трубкой.
• 
  Устройство вакуумного коллектора.

По устройству теплопередачи между колбой и теплоносителям выделяют следующие основные виды коллекторов:

• 
  Двухтрубная система. Теплоноситель циркулирует внутри колбы.
• 
  Однотрубная система. Конденсатор тепловой трубки вставляется в трубу коллектора.
• 
  Двухтрубная система. Конденсатор тепловой трубки вставляется между трубками коллектора.

Пластиковые коллекторы

Наиболее простым решением для солнечного теплоснабжения являются пластиковые солнечные коллекторы. Изготавливаются путём штамповки из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). Такие коллекторы, как правило, не имеют дополнительной теплоизоляции и применяются для нагрева воды в летний период. Производительность пластиковых коллекторов достаточно сильно зависит от скорости ветра. Низкое гидравлическое сопротивление позволяет подключать контур коллекторов данного типа напрямую в систему циркуляции воды.

Установка

Солнечные водонагреватели можно встретить на крышах многих новых домов в китайской провинции Хубэй

Солнечные водонагреватели устанавливаются на крыше зданий под углом к горизонту, равным географической широте местности. Угол наклона при установке зависит от угла падения солнечных лучей, к которым поверхность должна быть перпиндикулярна.

Оптимальный угол наклона зимой составляет 60°, летом — 30°. На практике советуется выбирать 45°.

Вторым параметром является азимут, который не должен отклоняться от 0° (южное направление). Это не всегда возможно, поэтому допустимо отклонение от южного направления до 45°.

Кроме того, группы нагревателей устанавливаются на открытых пространствах, например, над парковками для автомобилей, но как можно ближе к потребителю (зданию).

В связи с тем, что солнечный нагреватель невозможно выключить, в периоды максимального солнечного облучения и малого водоразбора температура (температура застоя или stagnation temperature) в нём может достигать, в зависимости от типа, 200 °C (плоские системы) и 300 °C (вакуумные).

Поэтому в качестве трубной обвязки водонагревателей нельзя использовать пластиковые (полимерные) трубы и стальные трубы с цинковым покрытием. Следует применять трубопроводы из меди или нержавеющей стали.

Также необходимо предусмотреть теплоизоляцию первого (горячего) контура трубной обвязки водонагревателей для предупреждения ожогов и возгораний, причем материал теплоизоляции и крепежа должен соответствовать указанным температурным режимам.

На корпусах коллекторов промышленного изготовления указывается точная температура застоя для данного модельного ряда.

Срок службы коллекторов — не менее 15 лет.

Есть попытки установки коллекторов на стенах домов, почти в вертикальном положении. В этом случае, особенно в высоких широтах, эффективность коллектора выше в зимние месяцы, а в летние — ниже.

Есть и другой довод в пользу такой установки: коллектор удобнее обслуживать, на нём меньше собирается пыли, его легче мыть, меньше риск повреждения при граде.

К тому же такой коллектор располагается довольно низко относительно бака с нагреваемой водой, скорость конвекции существенно увеличивается и в активной системе нет надобности.

Установка коллектора на стену уменьшает теплопотери дома (квартиры), что снижает потребность в энергии для отопления.

Применение

Солнечные водонагреватели применяются для домашнего и коммерческого горячего водоснабжения, обеспечения индустриальным теплом, нагрева воды для плавательных бассейнов и т. д.

Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

Экология

Эксплуатация бытового солнечного водонагревателя позволяет сократить выбросы CO₂ пропорционально количеству сэкономленного топлива. Кроме того, в этом случае сокращается парниковый эффект от выбросов углекислого газа.

Распространение

Солнечные водонагреватели популярны на Мальте.

Мировой лидер по производству и применению — Китай. В 2007 году в Китае солнечными водонагревателями пользовались около 40 миллионов семей общей численностью в 150 миллионов человек.

К 2009 году суммарные площади установленных солнечных водонагревателей выросли до 140 млн м². Этого достаточно для снабжения горячей водой примерно 60 млн домохозяйств.

К 2020 году 300 миллионов м² помещений в Китае будет оборудовано солнечными водонагревателями.

В 2010 году в Китае солнечные водонагреватели производили около 2800 компаний, из них 1200 компаний производили комплектующие. Общий объём рынка солнечных водонагревателей Китая составил в 2010 году 73,5 млрд юаней (примерно $11,5 млрд).

Крупнейшие китайские производители: Sunrain Group, the Linuo Group, Himin Solar и Sangle Solar. Годовые продажи каждой компании из «Большой четвёрки» превышают 2 млрд юаней (примерно $313 млн).

Также очень широко применяется водонагреватели в Израиле, где примерно 85 % квартир оснащены данным оборудованием. Это обусловлено законом, принятым в 1976 году и обязывающим строить жильё со встроенными солнечными водонагревателями.

Исключение составляют высотные дома (более 9 этажей), где площадь крыши недостаточна для размещения солнечных коллекторов, достаточных для всех потребителей здания. Такое широкое применение солнечных водонагревателей экономит около 8 % всей электроэнергии, производимой в стране.

Привожу информацию о Солнечном водонагревателе с параболо-цилиндрическими зеркалами ( pandoraopen.ru/2017-01-26/solnechnaya-stanciya-dlya-otopleniya-i-goryachej-vody-svoimi-rukami ) :

Солнечная станция для отопления и горячей воды своими руками

26 января 2017
Опубликовал: brahman

Миргородский изобретатель Сергей Юрко поделился опытом создания и эксплуатации крупнейшей в Украине частной тепловой солнечной станции, рассказал о том, почему он не патентует свои разработки и можно ли построить бизнес на солнечной энергии.

Многие считают его чудаком, а сам Сергей Юрко полусерьезно-полушутя называет себя профессиональным изобретателем. В свои 45 лет ему есть чем похвастаться.

Возле дома его брата в Миргороде работает крупнейшая в Украине частная солнечная станция. Конструкцию придумал сам Сергей и не держит ее в тайне. На своем канале в YouTube миргородец рассказывает обо всех нюансах работы станции и всегда готов отправить чертежи тем, кто осмелится повторить или использовать для себя решения этого проекта.

Перед встречей с ЭП Сергей несколько раз уточняет время прибытия поезда из Киева и сверяет его с прогнозом погоды. Ему важно, чтобы было солнце, так он сможет показать, как все работает. В конце концов, все сложилось как нельзя лучше.

Несмотря на зимний морозный день, на территории, где Юрко в два ряда разложил свои хитроумные конструкции, всё залито солнечным светом.

Для ясности следует сразу объяснить: солнечная станция Юрко разработана для получения тепла, а не электроэнергии, а сама технология её работы отличается от того, как работают привычные станции на солнечных фотоэлементах.

- Расскажите немного о Вашей установке. Как она работает?

- Ловлю солнечных зайчиков. Вот сюда, на зеркальную поверхность, попадают лучи и отражаются сюда, на трубы, где циркулирует вода. А вот и сам бак, куда попадает нагретая вода, он максимально термоизолирован. Отсюда, когда вода подогревается, я подаю её в дом своего брата.

- Неужели Ваша станция обеспечивает все потребности дома? Он довольно большой.

- Полностью не обеспечивает, но даёт возможность ощутимо экономить. Годовая потребность дома — 5 тыс. куб. м. газа. Станция производит 2,4 тыс. куб. м. газа — имею в виду эквивалент тепла, потому что воду подогревает солнце. Примерно половина теряется при подаче, остается 1,2 тыс. куб. м. для дома. Вот и считайте.

Большая часть идёт на отопление бассейна, остальное – в батареи. Нетрудно подсчитать, что за год экономия для дома составляет около 300 евро.

- Почему половина производимого Солнцем тепла теряется?

- Для моих экспериментов у дома просто не хватает места. Я должен был разместить станцию ​​на расстоянии от дома. Горячую воду приходится гнать в дом, а это 50 метров теплотрассы, а она несовершенна. И бак с водой не идеален.

Эффективная схема — это когда тепловая станция размещена у самого дома или на нём, а тепловой аккумулятор — в доме или под ним. Тогда нет потерь тепла.

- Сколько Вы потратили денег на изготовление станции?

- Для меня она бесценна и не измеряется деньгами. Я шёл к этому проекту длинным путем проб и ошибок. Моя цель — проект отопления дома со сроком окупаемости один год. Если бы я жил в Швеции, где газ очень дорогой, это бы уже произошло.

Сначала пробовал твердотопливный котел. Его я сделал за 100-200 евро. Он не требовал места в доме, дешёвый и практичный, но со временем я понял, что Солнце – перспективнее и дешевле.

Пробовал работать с плоскими коллекторами по 10-15 евро за квадратный метр. Установил таких 14 квадратных метров. Три года простояли, а потом я их снял. В конце остановился на варианте, который Вы видите.

- Какой срок окупаемости Вашей станции?

- Считать просто. Один ряд коллекторов стоит около 300 евро. Значит, 600 евро вместе. Теплотрасса и теплообменник в подвале, насосная группа, автоматика, которая включает подачу воды, тепловой аккумулятор — это ещё 300 евро. Весь проект — 900 евро. Экономия в год для дома — 300 евро, поэтому срок окупаемости — три года.

- Очень неплохо звучит.

- Да, но есть много нюансов. Я реалист.

Если кто-то хочет такое устроить для своего дома, то ему придётся просто жить этими батареями и уделять этому механизму много времени. Так, оно работает. Да, я вижу экономию, но процесс подключения солнечной станции к газовой системе отопления дома чрезвычайно тяжёл. Я на этом обжёгся.

Люди живут мифами. Они вдруг поверили, что Солнце может полностью обеспечивать дом. Поймите: чтобы брать энергию от Солнца, нужны технологии и вложения. Я ещё не могу это рекомендовать для домов. Никто не хочет частичного решения проблемы, все думают на 100 % отказаться от газа.

Это реально, если построить станцию, которая будет полностью покрывать потребности дома. Это четыре с половиной ряда солнечных коллекторов и аккумулятор (контейнер) на 160 тонн воды. У многих и земли нет, чтобы это всё расположить. Одна секция обеспечивает дачу горячей водой на пять месяцев.

- Для отопления это не практично, но где-то можно применить?

- Я рекомендую солнечные коллекторы не для обогрева дома, а для подогрева воды. Особенно для небольших предприятий, ферм, летних баз отдыха.

Простое подключение и минимум хлопот. Девять секций обеспечат горячей водой душевую кабину для 20-30 человек. Летом такой ряд дает 1200 кВт*ч, в год – 8500 кВт*ч. На человека нужно 50-100 кВт*ч. Для такого проекта окупаемость получается меньше года, если сравнивать с электрическим бойлером.

- Это может быть выгодно для организаций, где нужно много воды, а как насчёт мелких пользователей?

- У меня на даче стоит одна секция. Она обеспечивает горячую подачу пять месяцев в году, с мая по сентябрь. Мне больше и не надо, потому что там никто не живет. Там нет электрического бойлера или газа. Секция полностью обеспечивает этот домик.

Для установки требуется 10 м. шлангов и бак на 60 л. Там без насоса всё работает. Горячая вода идет в душевую, на кухню и в уличный умывальник. Я не трачу электричество. Стоит одна секция с установкой 3-4 тыс. грн., как и бойлер.

- Пользоваться энергией Солнца придумали не Вы, на рынке есть много предложений. В чём изобретение?

- Это чисто моя разработка. Аналоги есть, на некоторые я равнялся. Основная новизна — стоимость. Можно купить немецкие аналоги, но они в 20-30 раз дороже.

— Наверное, они и эффективнее?

- В определенной степени, и то благодаря дорогим материалам, которые я не применяю. Однако даже зимой, в мороз, я могу вскипятить воду Солнцем. В аккумуляторе 3,5 тонны воды. Скорость охлаждения — 1-2 градуса в сутки. Сейчас температура воды — 40-50 градусов. Один солнечный день зимой подогревает её на 20-25 градусов.

То есть цикл из нескольких погожих дней нагреет воду до температуры кипения, но я её перегоняю в дом, когда она достигает 60 градусов. Смысла нет кипятить.

- А если такого цикла из солнечных дней не будет?

- Безусловно, без Солнца некуда. Декабрь и январь – самые неблагоприятные для подогрева воды. Вообще же солнечные периоды – с середины февраля до конца октября. Сейчас – мёртвый период. Однако, повторюсь, за один солнечный день даже зимой все мои 58 кв. м. зеркал повышают температуру в резервуаре на 20-25 градусов.

- На одном из видео Вы рассказываете, что солнцем можно обогреть весь Киев.

- Безусловно. Я разработал такой проект на 152 страницах. Полное обеспечение теплом города от солнца — не утопия. Это уже работает в мире. В качестве примера я взял датский город Военс. Реализация этого проекта обошлась 16 млн евро.

- Однако Google говорит, что в Военсе 7600 жителей, а в Киеве – более 3 млн.

- Да, Киеву надо станцию ​​в тысячу раз более производительную. Если опираться на мои солнечные коллекторы, а они в десять раз дешевле датских, то проект будет стоить 2 млрд евро. Тогда Киев будет иметь отопление зимой и горячую воду круглый год.

Для этого нужно 2 млн. рядов по девять секций. Солнечная станция займёт территорию 200 кв. км. Это менее 1% Киевской области. Строить можно за 30-40 км. от города. Так можно удешевить квитанции киевлян за отопление более чем вдвое.

- Вы верите в реализацию такого проекта?

- Это только красивый проект. Пусть он будет призывом к действию. Можно долго жаловаться на высокие тарифы, а можно что-то делать. Конечно, в Киеве этого никто делать не будет. Там и земля “золотая”. Зато можно пробовать в малых городах.

Тем, кто начнёт, будет трудно. Если мэр заявит, что он Солнцем будет отапливать город, то его просто не выберут. Но в Дании это делают. И у нас реально. Всё равно рано или поздно к этому придём. За Солнцем – будущее.

- На видео Вы подробно рассказываете, как сделать такие солнечные коллекторы. Почему не патентуете изобретение?

- Конечно, я хочу на этом зарабатывать. Я продаю свои секции, уже реализовал 20 штук. Покупали и предприниматели, которые теперь сами думают, не производить ли их на продажу. Но Вы правы: я всё показываю. Очень сильная мотивация делать полезные дела.

Хочу помочь нашей стране стать энергонезависимой и наконец отсоединиться от газпромовской трубы. Я рассылаю бесплатно чертежи всем, кто попросит. Если это пойдет в массы, то энергетическая независимость станет хотя бы немного ближе.

Источник: www.kramola.info

Канал Сергея Юрко в YouTube доступен по адресу youtube.com/channel/UCV-AUPKwT—xAfCdYyz2c5Q

На этом пока что закрываю тему Солнечный водонагреватель, чтобы со временем неоднократно к ней вернуться. Ведь жизнь на Земле существует благодаря Солнцу, и нужно учиться использовать Солнце с максимальной пользе для себя!

Приглашаю всех высказываться в Комментариях. Критику и обмен опытом одобряю и приветствую. В особо хороших комментариях сохраняю ссылку на сайт автора!

И не забывайте, пожалуйста, нажимать на кнопки социальных сетей, которые расположены под текстом каждой страницы сайта.
Продолжение тут…