До ХІХ століття використання сонця для потреб гарячого водопостачання не знаходило великого застосування. Це відбувалося, в основному, внаслідок того, що до цього часу система водопроводу не мала широкого поширення.
У дев'ятнадцятому столітті не існувало простих і комфортних методів нагріву води. Найбільш поширеним методом було використання звичайних дров'яних виручених плит. Деревину або використовували безпосередньо у вигляді дров, або випалювали в деревне вугілля. У містах, для нагріву води, часто використовували так званий "світильний газ", одержуваний при сухій перегонці вугілля на газових заводах (рис. 7). Світильний газ знаходив своє застосування, як випливає з його назви, в домашньому і промисловому господарстві, для освітлення (відомі газові світильники), а також для отримання механічної енергії за допомогою газових моторів.
Мал. 7. (A) Пристрій заводу з виробництва светильного газу. Вугілля або дрова поміщаються в реторту (a) - герметичну металеву ємність з газовідвідною трубкою. Реторта нагрівається за допомогою печі. Під дією високої температури, без доступу кисню повітря, відбувається суха перегонка вугілля. Вирізняється «світильний газ» по газовідвідної трубці відводиться за допомогою димососа (b) в газгольдер (f), попередньо піддаючись очищенні (c, d) і охолодження (e).
Мал. 7. (Б) Бойлер на світильному газу.
Всі перераховані вище методи були пов'язані з такими незручностями як: нестабільність полум'я, небезпека перегріву бойлера і його вибуху, характерною бруду і кіптяви. До всього, використання дров, деревного вугілля або светильного газу було досить витратним, а прості робітники заробляли в ті часи дуже небагато. Таким чином, багато "незалежні" люди з творчим підходом, які вміють тримати в руках інструмент, знаходили для себе безпечніше, просте й дешеве рішення проблеми нагріву води в тому, що розміщували на сонці металевий водяний бак, пофарбований в чорний колір. Це були перші, описані в історії, рідинні водонагрівачів. Недоліком таких водонагрівачів було тільки те, що навіть в жаркий ясний день нагрів води, до достатньої температури, займав з ранку і до полудня. А з заходом сонця вода в баку дуже швидко остигає, оскільки не було передбачено жодної теплоізоляції
Перші комерційні сонячні водонагрівачі
Перший, комерційно успішний, сонячний водонагрівач, який представляє собою 25 галонів циліндричний водяний бак, пофарбований в чорний колір і розміщений всередині "сонячного ящика" деСоссюра (рис. 8), запатентований К. Кемпом (Clarence Kemp) і надійшов у продаж в 1891 році під назвою Climax Solar Water Heater. Цей водонагрівач був дуже популярний в ЛосАнджелесе і в цілому в Каліфорнії ( http://www.sunnyhotwater.com ).
Мал. 8. Рекламна брошура сонячного водонагрівача Кемпа Climax Solar Water Heater.
Кемп в якості цільової аудиторії свого винаходу розглядав південноамериканських джентльменів, чиї дружини з прислугою виїжджали на літній відпочинок, залишаючи своїх чоловіків на самозабезпечення. Сонячний водонагрівач, при цьому, був досить простий у використанні (принаймні в порівнянні з розпалюванням дров'яного або газового бойлера) для чоловіків, під час відсутності дружини і домашнього обслуговуючого персоналу ( http://www.californiasolarcenter.org ).
Надалі дана конструкція зазнала ряд удосконалень. Так, в 1904 році, Чарльз Хаскель (Charles Haskell), викупив права у Кемпа і поліпшив продуктивність водонагрівача за рахунок збільшення площі засклення, з одночасним зменшенням обсягу водяного бака. Це призвело до більш швидкому нагріванню води вранці і в дні з мінливою хмарністю. Крім того "Improved Climax" представляв собою плоский квадратний ящик, на відміну від циліндричної ємності традиційного "Climax" (The Integral Passive Solar Water Heater Book / David A. Bainbridge).
Потім, в 1909 році, Вільям Дж. Беілі (William J. Bailey) запатентував сонячний водонагрівач, який зробив революцію на ринку. Він розділив сонячний водонагрівач, який представляє до цього часу єдиний об'єкт, на дві частини: елемент, що нагріває, що розміщується на сонці і теплоізольований бак акумулятор, розташований всередині будівлі (рис. 9).
Мал. 9. Сонячний водонагрівач День і Ніч Вільяма Беілі.
Завдяки нововведенню, користувачі отримали можливість використовувати нагріту сонцем воду не тільки вдень, але і вночі. Нагріває елемент складався з труб, припаяних до пофарбованому чорним листу металу і розташованому в заскленому ящику. Оскільки вода в нагрівачі перебувала в мережі труб, що мають значно менший обсяг ніж бак, Беілі вдалося ще більше зменшити (ніж до нього Хаскела) кількість води, що знаходиться під впливом сонячних променів і, таким чином, нагрів води відбувався ще швидше.
Оскільки завдяки окремо стоїть, теплоізольовані, водяному баку даний водонагрівач дозволяв використовувати нагріту воду більший період, - Беілі назвав його День і Ніч (Day and Night) ( http://www.sunnyhotwater.com ). Власне в такому вигляді, з невеликими поліпшеннями і доповненнями, сонячні водонагрівачі (колектори) дійшли до наших днів.
Сучасні сонячні водонагрівачі
На даний момент тільки в одній Німеччині розташоване і експлуатується близько двох мільйонів сонячних водогрійних систем, вік яких перевищує 25 років.
Домашні сонячні системи гарячого водопостачання та резервного центрального опалення (рис. 10) дозволяють в рік економити понад 35% комунальних витрат. Буде цікавим дізнатися, що кожен рік, кількість енергії, принесеної на поверхню землі в Центральній Європі з сонячною радіацією, досягає 1000 кВт * год на кожен квадратний метр. Це відповідає 100 літрам рідких нафтових палив. Таким чином, використання сучасних сонячних колекторів дозволяє використовувати цю енергію для виробництва тепла з дуже високим коефіцієнтом перетворення. Сонячні теплогенеруючі системи є ідеальним доповненням для будь-якої системи опалення та дозволяють істотно знизити енерговитрати. Тепло може використовуватися як для потреб гарячого водопостачання (характерно для холодного клімату), так і для часткового асистування традиційній системі опалення (характерно для клімату більшості країн Західної Європи).
Мал. 10 Сонячні теплогенеруючі системи використовуються для потреб гарячого водопостачання (вгорі), а також опалення (внизу).
У Західній Європі існує теза, що при проектуванні нових систем опалення необхідно в них закладати систему сонячної теплогенерації. Це дозволяє самостійно покривати незкіе енерговитрати (в демісезонний період), а також значно знизити плату за щомісячне енергоспоживання. Більш того, установка сонячних теплових коллектроров на даху будівлі свідчить про те, що його власник піклується про захист від кліматичних змін, викликаних глобальним потеплінням внаслідок збільшення вмісту парникових газів (в тому числі вуглекислого газу) в атмосфері за рахунок спалювання викопних палив. Для задоволення потреби слідувати екологічної тенденції у зростаючої кількості жителів планети, яких турбує майбутнє життя на Землі, безліч світових high-tech розробників і виробників по всьому світу розробляє і впроваджує сучасні матеріали і технології в області сонячного теплогенерірованія.
Інженерами провідних фірм розроблені інтелектуальні системи енергетичного менеджменту, що дозволяють ефективно вписувати сонячні теплогенеруючі системи в існуючі або проектовані системи опалення з різними резервними джерелами тепла (рис. 11). Більш того, використання спеціальних високоселективних покриттів, що дозволяють вловлювати і перетворювати в тепло енергію сонячного світла, за останнім часом ефективність сонячних водогрійних систем значно збільшена. Розроблено безліч принципових схем і пристроїв менеджменту, що дозволяють використовувати такі системи максимально ефективно і вирішувати практично будь-які технічні завдання в багатьох умовах, які може поставити замовник.
Розроблено складні системи накопичення енергії - баки акумулятори, з просунутими системами автоматичної запірної арматури, що дозволяють використовувати накопичене тепло максимально ефективно, а також об'єднувати джерела періодичної дії (сонячні панелі, твердопаливні котли) в безперервно функціонуючу систему (рис. 11).
Мал. 11 Сучасна система опалення об'єднує сонячну і дров'яну теплогенеруючу системи (а) і бак теплоаккумулятор (б).
А застосування сучасних інформаційних технологій і систем комунікації дозволяють користувачеві «тримати руку на пульсі» своєї енергетичної системи (рис. 12).
Мал. 12. Використання сучасних систем комунікації та менеджменту дозволяють ефективно управляти як домашньої, так і комерційної системою сонячної теплогенерації.
Типи сучасних сонячних систем
Різні компонування і технологічні прийоми дозволяють пристосувати сучасні сонячні водяні колектори до різних умов клімату і експлуатації. Втім, існує дві основні класифікації даних систем, різні поєднання між якими дозволяють вирішувати різні завдання:
1.1. Пасивні і активні системи:
- Пасивна система сонячного водонагрівача заснована на ефекті природної циркуляції теплоносія. При цьому переміщення води з бака-накопичувача в колектор, для нагріву і нагрітої води назад - в вищерозташованих бак-накопичувач, відбувається завдяки тому, що гаряча вода легше холодної. За рахунок різниці щільності і відбувається транспорт рідини в системі - природна циркуляція теплоносія. Такі системи не вимагають установки насосів або інших механічних пристроїв. Їх простота забезпечує високу надійність, низьку матеріалоємність і низьку собівартість. Однак такі водонагрівачі мають дещо меншу ефективність.
- Активна система - навпаки має на увазі використання насоса (насосів) і, відповідно, системи управління (і моніторингу) для циркуляції рідини в системі. Завдяки чому кілька збільшується ефективність, проте система ускладнюється, знижується її надійність і підвищується вартість і матеріаломісткість.
1.2. Системи з відкритим і закритим контуром:
- У системах з відкритим контуром (рис. 13а) через колектор пропускається безпосередньо нагрівається побутова вода. Такі системи обмежені у використанні в холодному кліматі, оскільки існує небезпека замерзання води в колекторі. Втім, щоб уникнути замерзання води застосовують технологію зливу води (drainback), яка має на увазі злив води з колектора в бак накопичувач при зниженні температури (сонячний захід), що відбувається автоматично з відключенням наносу. Також в таких системах бажано використовувати виключно м'яку воду, оскільки жорстка вода викличе відкладення нерозчинних солей в трубопроводі колектора і системи.
- У системах із закритим контуром (рис. 13б) через колектор циркулює спеціальний антифриз, що знаходиться в закритому контурі під тиском, який передає тепло нагрівається воді через теплообмінник, що знаходиться в баку-акумуляторі. У таких системах головне - не допускати змішування антифризу (часто токсичного, що містить інгібітори корозії та інші добавки) з домашньої, питною водою. Такі системи дають великі можливості для різноманітності монтажу, однак є більш складними, дорогими і менш ефективними (присутній зайвий етап теплопередачі в теплообміннику, що призводить до додаткових втрат) рішенням ніж система з відкритим контуром. Існує п'ять найпоширеніших комбінацій цих чотирьох типів систем: інтегрований з колектором бак-накопичувач, термосифон, відкритій системі керування контуром, система з закритим контуром, система зі зливом води (drainback).
(а)
(б)
Мал. 13. Водяні сонячні водонагрівачі з відкритим (а) і закритим (б) контуром.
Останнім часом, певне поширення отримали так звані вакуумні сонячні колектори. У таких колекторах плоска металева пластина, з високоселективним покриттям, припаяна до індивідуальної тепловій трубці з теплоносієм, розміщується в герметичній вакуумированной скляній колбі. Як відомо, вакуум - найгірший провідник тепла, завдяки чому досягається максимальне зниження теплових втрат колектором в навколишнє середовище. Індивідуальні вакуумні трубки приєднуються до баку акумулятора утворюючи колектор (рис. 14). Слід зазначити, що дані трубки мають меншу ефективність (ККД, що пов'язано з наявністю додаткового акту теплопереносу <теплова трубка / основний теплоносій>) ніж звичайні, плоскі, сонячні колектори (60-65% проти 72-75, в стандартних «лабораторних» умовах ). Іншим суттєвим недоліком таких колекторів є відсутність ефекту самооттаіванія на сонці, що призводить до необхідності проводити їх отчистки від снігу вручну.
Перевага даних колекторів проявляється при недостатньому або розсіяному сонячному освітленні (при відхиленні умов сонячної інсоляції від стандартних) і низькій температурі навколишнього середовища - в похмурі зимові дні, коли за рахунок підвищеної Теплоізолювання колектор має можливість засвоїти мізерну сонячну енергію без втрат (при цьому звичайний колектор, навіть якщо він нагрівається, відразу втрачає отримане тепло в навколишнє середовище).
Мал. 14. Пристрій теплової трубки сонячного водяного колектора з вакуумними трубками.
Необхідно відзначити, що сучасні сонячні теплогенеруючі системи мають настільки досконалий дизайн, що дозволяють архітекторам не тільки успішно вписувати їх в існуючі архітектурні ансамблі, а й створювати на їх основі справжні арт - об'єкти (див. Рис. 15)
Мал. 15. Сучасна сонячна інсталяція.
Подивіться ціни на сучасні сонячні колектори >>