Уровень материальной, а в итоге и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении, и их умения эффективно и с пользой для себя применять эту энергию. Потребление энергии является необходимым условием осуществления любого действия, любого процесса, любого свершения.

Законы природы утверждают, что получить энергию, удобную для использования, можно только за счет ее преобразования из других форм. Вечные двигатели, к сожалению, невозможны, а потребности в энергии все увеличиваются. Потребление энергии удваивается каждые 30 лет и сегодня составляет более 1 млрд т условного топлива в год.

Структура мирового энергохозяйства на сегодня сложилась так, что 80% потребляемой электроэнергии получается при сжигании топлива на электростанциях, где химическая энергия топлива превращается сначала в тепло, теплота – в работу, а работа – в электричество. Ощутимый процент дает и гидроэнергетика (около 15%), остальное покрывается другими источниками, в основном атомными электростанциями.

В настоящей статье мы рассмотрим СВНУ (солнечную водонагревательную установку).

Назначение

Солнечные водонагревательные системы на базе солнечных  коллекторов предназначены для производства горячей воды заданной температуры путем поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

Система состоит из двух основных элементов:
наружного блока – солнечных  коллекторов;
внутреннего блока – бойлера-аккумулятора тепловой энергии со встроенным цифровым контроллером, автоматикой и группой безопасности.

Солнечный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения вне зависимости от температуры окружающей среды. Коэффициент поглощения энергии таких коллекторов составляет 98%. Коллекторы устанавливаются непосредственно на крыше зданий таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать площадь крыши, обращенную на юг, и для сбора максимального количества солнечной энергии в зависимости от времени года. 

Бойлер-аккумулятор представляет собой автоматизированную систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии, например от традиционного отопителя, работающего на электричестве, газе или дизтопливе, которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной радиации. Нагретая таким образом вода используется для горячего водоснабжения объекта, а через пластинчатый теплообменник внутреннего блока тепло может передаваться в радиаторы системы отопления.

Микропроцессорный блок управления предназначен для контроля температуры в солнечном коллекторе и бойлере, а также для выбора, в зависимости от величины этих температур, оптимального режима работы системы в течение суток. При этом контроллер регулирует поток теплоносителя через пластинчатый теплообменник, определяет направление подачи тепла (на ГВС или на отопление), управляет работой базового отопителя. 

В ночное время автоматика системы обеспечивает минимально необходимое привлечение дополнительной энергии для поддержания заданной температуры внутри помещения. Система обладает малой инерционностью, быстрым выходом на рабочий режим и позволяет обеспечить среднегодовую экономию энергоносителей (в условиях средней полосы Российской Федерации) до 50%.

Динамика работы системы

В исходном состоянии вода (рис. 1) в резервуаре (8) холодная, трехходовой кран (2) находится в положении «сверху вправо», теплоноситель, которым заполнены коллекторы (1), также холодный, теплоноситель в системе отопления холодный, базовый отопитель (котел) только что начал работать, насосы (4) и (7) включены, насос (9) выключен. Встроенный в резервуар электрический нагреватель (10) мощностью 3 кВт включен. На контроллере (6) выставлена желаемая температура Т в резервуаре (например 55 °С).

Рис. 1. Принципиальная схема работы системы

1 – коллектор; 2 – трехходовой кран; 3 – теплообменник; 4 – насос; 5 – котел; 6 – контроллер; 7 – насос; 8 – резервуар; 9 – насос; 10 – нагреватель 

 С появлением солнца в коллекторе происходит быстрый нагрев теплоносителя. Контроллер включает насос (9), и тепло передается через нижний теплообменник резервуара, нагревая воду для ГВС. Одновременно работающий котел греет систему отопления и через верхний теплообменник нагревает воду для ГВС, что позволяет быстро вывести систему на рабочий режим.

Когда температура воды в резервуаре становится равной установленной на контроллере, например 55 °С, контроллер переключает трехходовойй кран (2) в положение «сверху вниз». Таким образом, горячий теплоноситель из солнечных коллекторов поступает на пластинчатый теплообменник, установленный внизу резервуара, передавая тепло в систему отопления. Когда температура в системе отопления достигнет установленной величины, базовый котел отключится и система отопления будет работать только от солнечной энергии. Когда при интенсивном расходе горячей воды на ГВС температура в резервуаре падает ниже 55 °С, контроллер вновь переключает трехходовой кран (2) в положение «сверху вправо» для поддержания установленной температуры. Электрический нагреватель (10) работает независимо от контроллера и управляется собственным термостатом. Температура его выключения устанавливается на отдельном блоке управления.

Элементы системы

   Солнечный коллектор — устройство для сбора энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением.

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Прозрачный элемент (стекло) обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов.

При отсутствии разбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 195°-210°C.

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности.

>>Для наглядного понимания принципа работы солнечной установки, кликните по картинке или пройдите по этой ссылке>>  

 Рассмотрим группу солнечных коллекторов с параллельно-последовательным соединением, где  теплоноситель циркулирует по всем коллекторам, собирая тепло. Передача тепла от абсорбирующей пластины к теплоизолированному коллектору происходит через медную трубку, внутри которой циркулирует теплоноситель.

Коллектор устанавливается на крыше здания (и не только) под углом к горизонту, равным географической широте местности (рис. 2). Для плоской крыши используются специальные регулируемые опорные рамы из алюминия.

Рис. 2.Монтаж солнечных коллекторов.

Существует также множество способов установки солнечных коллекторов, вот некоторые из них:

 В разделе "Галерея" Вы можете посмотреть смонтированные и работающие солнечные установки.  

 Бак-аккумулятор для накопления и сохранения тепла

   Солнечное тепло должно быть сохранено так, чтобы Вы могли использовать его в любой момент. Для сохранения тепла существуют баки-аккумуляторы. Чтобы удовлетворить потребности в тепле, как в домашнем так и промышленном хозяйстве, были разработаны резервуары различных модификаций и размеров. Предлагаемые нами резервуары действуют по принципам свежей горячей воды и послойному распределению тепла. По принципу свежей горячей воды - вода нагревается непосредственно в момент изымания воды из резервуара, соответствуя тем самым высоким нормам гигиены. Техника послойного распределения тепла заботится о том, чтобы содержащееся в резервуаре тепло не перемешивалось с обратным ходом теплоносителя из системы отопления, повышая тем самым производительность солнечной установки. Высокая степень изоляции баков-аккумуляторов позволяет накапливать тепловую энергию с большой эффективностью.

Солнечная станция  

Солнечная станция предназначена для полнофункциональной работы всей солнечной установки, обеспечивая циркуляцию теплоносителя, контроль давления и прочие функции.

Станция включает в себя следующие компоненты:

Циркуляционный насос;

Систему заправки;

Группу безопасности (предохранительные элементы); 

Датчик потока теплоносителя;

Датчики температуры и давления;

Систему автоматического воздухоотведения;

Микропроцессорный контроллер

   Контроллер предназначен для контроля температуры в солнечном коллекторе, в баке-аккумуляторе и выбора в зависимости от величины этих температур, оптимального режима работы системы в течение суток.
Контроллер выполняет следующие основные функции:

индикацию температуры коллектора;

индикацию температуры в резервуаре;

индикацию температуры обратного потока теплоносителя;

установка минимальной температуры коллектора;

установка температуры в резервуаре;

установка температуры «антизамерзания»;

установка температуры «дельта Т»;

запоминание максимальной и минимальной температур;

блокирование клавиатуры контроллера;