Аккумулятор тепла солнечный – Теплоаккумулирование на солнечных энергоустановках. Солнечные энергетические установки. СЭУ. Подземные теплоаккумуляторы солнечной энергии

АККУМУЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА

Энергия

Наиболее важной причиной необходимости аккумулирования тепла в солнечной энергетической установке является непосто­янство сияния солнца и постоянная потребность в энергии Кро­ме того, при наличии солнца, как правило, поступает больше энергии, чем требуется, и поэтому, накопив энергию, ее можно использовать в дальнейшем, когда солнца нет

При проектировании аккумулятора солнечного тепла необ­ходимо соизмерять стоимость с рабочими характеристиками Некоторыми решающими факторами стоимости являются вы­бор теплоаккумулирующей среды для теплового аккумулятора, которой могут служить, например камни, вода или эвтектиче­ские соли, необходимое количество этой теплоаккумулирующей рабочей среды, измеряемое по весу или по объему, размещение теплового аккумулятора либо в отапливаемом помещении, либо вне его, тип и размеры контейнера для аккумулирующей среды, теплообменники, если необходимо, для передачи или отбора теп­ла от рабочего тела и механическое устройство для перемеще­ния теплоаккумулирующей среды через аккумулятор или теп лообменники

Кроме этих факторов рабочие характеристики также зависят 01 средней рабочей температуры, падения давления теплоноси­теля, движущегося через теплоаккумулирующую среду, и от по — іерь тепла контейнером в окружающую среду

Есть три основных вида теплоаккумулирующей среды кам­ни, вода и эвтектические соли (с фазовым превращением)

Способность разных материалов накапливать тепло зависит от их удельной теплоемкости Как указывалось в предыдущей части, удельная теплоемкость материала выражается количест­вом тепла (Дж), необходимого для повышения температуры 1 кг материала на 1° Энергию, часто называемую физической теплотой, можно получить обратно по мере снижения темпера туры вещества Это основной принцип действия большинства солнечных тепловых аккумуляторов В табл 15 приводятся теплоаккумулирующие способности нескольких распространен­ных материалов

Выбор теплоаккумулирующей среды и солнечного коллекто­ра должен ‘проводиться одновременно. Почти без исключения все системы жидкостного типа, будь то открытые (например, си­стема Томасона) или закрытые типа «труба в листе», требуют жидкой теплоаккумулирующей среды. В большинстве систем воздушного типа теплоаккумулирующая среда состоит из не­больших элементов — наиболее распространенными являются камни, небольшие (несколько кубических дециметров) сосуды с водой или эвтектические соли в контейнерах, которые дают возможность воздуху проходить вокруг и между ними, переда­вая им тепло. Альтернативными вариантами являются также системы, которые конструктивно сочетают в себе солнечный коллектор и аккумулятор тепла (см. часть III).

Аккумулятор для жидких систем. Существенным преимуще­ством жидкостных систем, содержащих бак-аккумулятор с во­дой, является их совместимость с солнечным охлаждением. Воду можно использовать практически для всех типов солнечного ох­лаждения, в том числе для ночного радиационного охлажде­ния, внепикового охлаждения при помощи небольших компрес­соров и циклов Ренкина и абсорбционного охлаждения. Наиболь­шим преимуществом воды в качестве теплоаккумулирующей среды является ее сравнительно низкая стоимость, за исключе­нием тех районов мира, где воды мало. Однако с водой связаны некоторые трудности, решение которых может вызвать значи­тельные затраты.

В последние годы удерживание больших объемов воды (от 100 до 350 м3 на 1 м3 коллектора) до некоторой степени стало проще благодаря появлению надежных гидроизоляционных ма­териалов и больших пластиковых листов. Раньше единственным сосудом был бак из оцинкованной стали, который в конечном счете протекал. Замена крупных баков, которые обычно разме­щаются в подвалах или под землей, является трудным и дорого­стоящим делом. Внедрение стеклофутеровкп и баков из стекло­волокна устранило проблемы коррозии, по увеличило первона-

чальные расходы Применение баков из литого бетона до недав­него времени сдерживалось трудностью и стоимостью обеспече­ния их долговременной герметичности; бетон водопроницаем и подвержен растрескиванию. Однако большие пластиковые ли­сты или мешки могут заменить собой бетон; пластиковые сосу­ды могут поддерживаться легкими деревянными или металличе­скими каркасами.

На рис. 5.83 показаны два способа хранения воды: первый — это наполненный водой бетонный (или шлакоблочный) контей­нер; второй — это система д-ра Гарри Томасона, т. е. бак с во­дой, окруженный камнями. В первом способе теплая вода из бака циркулирует в здание либо непосредственно через радиа­торы или теплоизлучающие панели, либо косвенно через змееви­ковые теплообменники, которые нагревают обтекающий их воз­дух, охлажденный їв помещении. Этот последний способ приме­нили в доме IV при Массачусетском технологическом институте в 1959 г. На рис. 5.84 показано поперечное сечение дома в шт. Вермонт на Среднем Западе, который был спроектирован Сью Бэртон Теннер. Система солнечного теплоснабжения, раз­работанная фирмой «Тотал энвайронментал экшн.», имеет в своем составе коллектор с открытым стоком воды. Теплообмен­ник отбирает тепло от аккумулятора и передает его в дом через большие стеновые и потолочные радиационные панели, позво­ляя использовать воду сравнительно низкой температуры. Вто­рой теплообменник подогревает воду для хозяйственных нужд, поступающую в обычный водонагреватель. Аккумулятор второго типа, изображенный на рис. 5.78, передает тепло медленно, но постоянно от бака с водой к камням. Охлажденный в доме воз­дух медленно циркулирует в больших объемах между нагретыми камнями и возвращается обратно в дом. В обоих случаях самая холодная вода на дне бака поступает в коллектор для подогре­ва, а затем возвращается в верхнюю часть бака. Эта нагретая в коллекторе вода используется для отопления дома.

Распределение температуры внутри водяного бака показано на рис. 5 85 Клоузом [9]. В баке высотой 1 м в начале дня от­мечается температура менее 20° С в 150 мм от дна п почти 35° С в 125 мм от верха. К концу дня эта разница становится несколь­ко меньше и составляет около 8°.

Большие размеры и высокая стоимость теплообменников мо­гут вызвать серьезные возражения против использования водя­ных баков-аккумуляторов. 25—50 т камней в системе Томасона, хотя и будучи дополнительным аккумулятором тепла, являются в некотором смысле чересчур внушительным теплообменником. У типичных металлических теплообменников, погруженных в воду, общая площадь поверхности теплообмена может состав­лять чуть ли не одну треть от площади солнечного коллектора.

Теплообменники необходимы, когда воду в баке невозможно использовать непосредственно для других целей, кроме аккуму-

Рис. 5 84. Коллекто­ры с наружным сто­ком воды и бак-ак­кумулятор в доме, шт. Вермонт (проект архит. Сью Бэртон Теннер с рекоменда­циями фирмы «Тотал энвайронментал экшн»)

1 — коллекторы: 2 — теп­лообменники для радиа­ционного отопления го­рячей водой; 3 — акку­мулятор

лядии тепла. Например, при использовании в коллекторе раст­вора антифриза в ‘воде он должен проходить через теплообмен­ник во избежание смешивания его с водой в баке. Кроме того, при расчете теплоснабжения здания инженеры по отоплению обычно требуют, чтобы вода из бака не использовалась в отопи­тельной системе. Это особенно показательно для случая, когда вода из бака циркулирует через коллектор.

Ограничение выбора местоположения для больших сосудов с водой может оказаться выгодным для проектировщиков зда-
ний, которые не хотят ломать голову над тем, где установить крупный предмет. Однако для проектировщика, который хочет сделать теплоаккумулятор неотъемлемой частью всего проекта, размещение тяжелого и громоздкого бака может оказаться трудной задачей. Естественно, самосливные системы жидкост­ного типа требуют, чтобы аккумулятор находился ниже дна кол­лектора; термосифонные системы требуют, чтобы он находился выше верхней части коллектора. Если аккумуляционная система связана с другим оборудованием, например с отопителем, насо­сами, теплообменником и бытовыми водонагревателями, то мо­жет потребоваться ее близкое размещение к ним.

Аккумулятор для воздушных систем. Из нескольких тепло­аккумулирующих сред для систем воздушного типа, пожалуй, наиболее известными и употрсбимыми являются камни. Хотя применение этого материала кажется сравнительно дешевым и легким решением, однако такой выбор не всегда правилен. Наи­более существенным преимуществом камней является их низкая стоимость, если действительно камней много. Например, на большей части территории Новой Англии единственным видом камней является гравий диаметром 25—40 мм. В зависимости от конструкции и размеров отсека для камней могут потребовать­ся камни диаметром до 100 мм. На 1 м2 коллектора требуется от 35 до 180 кг камней из-за их малой теплоемкости. Огромное количество камней усложняет проблему их транспортировки и перегрузки, а также требует отсека, достаточного по размеру,

чтобы вместить их При 30% пустот объем камней, необходимый для аккумулирования того же количества тепла, что и бак с во­дой, должен быть в два с половиной раза больше

Большая периметральная площадь этих отсеков-аккумуля­торов влечет за собой более высокие строительные расходы и большие потери тепла Потенциальная возможность более зна­чительных потерь тепла из больших отсеков с камнями по срав­нению с меньшими по размеру водяными баками, тем не менее, компенсируется сравнительно медленным естественным движе­нием тепла через камни в отличие от постоянного движения воды внутри большого сосуда при изменении температуры (на­пример, из-за потери тепла)

Одним из серьезных ограничении в отношении камней яв­ляется недостаточность их универсальности как рабочих тел для других целей помимо аккумулирования тепла, они, например, не могут служить теплоносителем для подогрева воды, охлаж­дения и даже отопления жилого помещения Один из немногих и наиболее распространенных способов приготовления горячей воды в этом случае заключается в установке небольшого (от 100 до 400 дм3) неизолированного водяного бака между камнями. Теплообмен протекает медленно, но продолжается круглые сутки

Методы солнечного охлаждения применимы тогда, когда кам­ни удерживают прохладу для дальнейшего использования Эту прохладу можно получить путем циркуляции холодного ночного воздуха, воздуха, охлажденного ночной радиацией, или воздуха охлажденного внепиковыми холодильными компрессорами Коллекторы воздушного типа, обеспечивающие температуры до­статочно высокие для циклов охлаждения от 80 до 150° С, на­вряд ли будут разрабатываться Оборудование по кондициони­рованию воздуха, которое совместимо скорее с горячим возду­хом, чем с горячей жидкостью в качестве источника тепла, в настоящее время не выпускается

Воздушные системы ограничивают способ передачи тепла окружающему пространству Почти без исключения отопитель ные системы должны иметь принудительную циркуляцию теп­лого воздуха в отличие от теплоаккумуляторов типа водяного бака, где может применяться принудительная циркуляция теп­лой воды или теплого воздуха Однако, как рассматривалось в части III, воздух может циркулировать через камни естествен­ным путем, не нуждаясь в вентиляторах

На рис 5 86 показан сводчатый дом, спроектированный фир­мой «Тотал энвайронментал экшн», в котором отсек с камнями расположен в пределах помещения Передача тепла из отсека в помещение происходит медленно путем естественной конвек­ции из комнаты в нижнюю часть отсека и оттуда через верх, а при необходимости, при помощи небольших вспомогательных вентиляторов (купообразная конструкция была выбрана заказ-

Рис 5 86 Воздушные коллекторы (расположенные отдельно) и аккумулятор с твердой засыпкой в купольном доме, проект фирмы «Тотал знвайронментал экшн»

4 — панели коллектора В — контейнер аккумулятора с кирпичным или каменным щеб нем С — подземный изолированный капал для подачи воздуха

чиком, а отдельно стоящий коллектор указывает иа ограничения использования здания для жилых целей).

Местоположение теплового аккумулятора с камнями может явиться серьезным ограничением их использования. Если акку­мулятор размещается в подвале здания, то расходы на сооруже­ние отсека необязательно должны быть включены в общую стоимость системы солнечного теплоснабжения. Однако если под аккумулятор отводится подвал, предназначенный для других целей, или жилое помещение, то стоимость сооружения такого отсека добавляется к стоимости системы. На рис. 5.87 показано использование контейнера-аккумулятора с засыпкой из камней как части архитектурного элемента здания. В доме Джорджа Лёфа в Денвере этот способ применен довольно удачно. Однако из-за большого веса контейнеров или отсеков для камней под ними должны предусматриваться прочные фундаменты.

На рис. 5.88 представлен разрез дома в Бостоне по проекту фирмы «Тотал энвайронментал экшн», выполненному на средст­ва фирмы «АИА Рисерч корпорейшн» Американского института архитекторов [39]. Площадка для дома представляет собой крутой северный склон холма с высокими зданиями к югу. Кол­лектор устанавливается как можно выше, чтобы не попасть в тень от соседних зданий. Вследствие своих больших размеров и массы теплоаккумулирующий отсек с камнями находится на нижнем этаже здания.

В проекте предусматривается довольно простой способ пе­редачи тепла к отсеку и от него. На рис. 5.89, где показана схема солнечной системы, теплый воздух из коллектора поступает в верхнюю часть отсека. Он затягивается внутрь, выходит снизу и поступает обратно в коллектор. Для обогрева дома прохладный воздух поступает в нижнюю часть отсека и нагревается по мере подъема между камнями. Самые теплые камни наверху нагре­вают воздух до наибольшей степени. На рисунке также показа­ны цикл отопления на жидком топливе, в котором комнатный воздух обходит отсек с камнями. Обычно аккумуляторный отсек не должен нагреваться отопителем, за исключением случаев, когда он располагается внутри жилого помещения.

Одна из важных причин того, что теплый воздух подается из коллектора в верхнюю часть отсека, заключается в стремлении обеспечить температурную стратификацию. Это дает возмож­ность нагревать комнатный воздух до наивысшей возможной температуры при помощи самых теплых камней, находящихся в верхней части отсека. Если теплый воздух будет поступать через низ отсека, даже без перемещения внутри него, то тепло из ниж­ней части распределится равномерно по всему отсеку, что вызо­вет в нем общее понижение температуры. Подача комнатного воздуха в то же место, что и теплого воздуха из коллектора, будет способствовать этому выравниванию тепла по отсеку, а не нагреву воздуха в целях отопления здания.

Рис. 5 89 Схема системы солнечного теплоснабжения для дома в Бостоне [381

А — режим поглощения солнечной энер­гии Воздух поступает через дно коллек­тора и выходит через верх Нагретый воз­дух подается вниз, проходя через аккуму­лятор с химиями и нагрева его, и возвра­щается обратно в коллектор, В — режим отопления помещения Воздух засасыва­ется из жилого помещения и поступает в нижнюю часть аккумулятора При про­хождении через камни он нагревается и поступает обратно в жилое помещение; С — режим дублирующею отопления Ото­питель работающий па жидком топливе, нагревает воздух, поступающий из жилого помещения через приточную камеру в нижней части аккумулятора. Паї петый воздух поступает в жилое помещение че­рез верхнюю камеру аккумулятора, D — бак для приготовления горячей воды на­ходится внутри теплоаккумулирующей среды, которая играет роль или нагрева­теля, или подогревателя в зависимости от уровня температуры аккумулятора

На рис. 5.90 приведены температурные кривые для одного из теплоаккумулирующих цилиндров в доме д-ра Лёфа в течение суток. Стратификация могла бы быть более заметной, если бы воздух подавался через верх, а выходил через низ цилиндра. Во всяком случае перепад температур в течение суток составляет несколько более 20°.

Фо

Солнечный аккумулятор тепла

Изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для преобразования солнечной энергии в тепловую и аккумулирования ее с целью последующего использования в бытовых условиях, например, для обогрева туристских палаток, юрт, различного рода помещений. В солнечном аккумуляторе тепла, содержащем корпус, светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель, наполнитель аккумулятора тепла и теплоизоляцию, наполнитель аккумулятора тепла помещен в съемный герметичный контейнер, установленный в корпусе с поджатием к теплоприемной панели откидывающейся крышкой через теплоизоляцию. Наполнителем аккумулятора тепла является вещество с фазовым превращением. Изобретение должно обеспечить удобство в эксплуатации. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для преобразования солнечной энергии в тепловую и аккумулирования ее с целью последующего использования в бытовых условиях, например, для обогрева туристских палаток, юрт, различного рода помещений.

Известен солнечный коллектор — нагреватель жидкости, содержащий корпус в виде заполненного жидкостью бака с патрубками, светопрозрачную для лучей теплоизоляцию, поглощающую энергию солнечных лучей крышку бака (см. патент РФ 2108520, F 24 J 2/04, 1996).

Известен также солнечный воздухонагреватель, включающий коллектор, светопрозрачное покрытие, двухслойный аккумулятор тепла (наиболее близкий аналог, см. патент РФ 2193147, F 24 J 2/24, 2/34, 2001).

Недостатком приведенных конструкций является недостаточная эффективность действия и неудобство в эксплуатации, особенно в случае выполнения солнечного аккумулятора переносным. Двухслойный (песчано-гравийный) аккумулятор медленнее и не в полной мере воспринимает поступающую солнечную радиацию и обладает более низкими теплоинерционными характеристиками по сравнению с веществами с фазовым переходом.

Целью предлагаемого технического решения является устранение указанного недостатка.

Указанная цель достигается тем, что в солнечном аккумуляторе тепла, содержащем корпус, светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель, наполнитель аккумулятора тепла, теплоизоляцию, согласно изобретению наполнитель аккумулятора тепла помещен в съемный герметичный контейнер, установленный в корпусе с поджатием к теплоприемной панели откидывающейся крышкой через теплоизоляцию.

При этом в солнечном аккумуляторе наполнителем аккумулятора тепла может является вещество с фазовым превращением.

Корпус съемного герметичного контейнера изготовлен из материала с высокой теплопроводностью, например из металла (сплавов алюминия), что позволяет эффективно передавать тепло от нагретой солнечным излучением теплоприемной панели к наполнителю аккумулятора тепла.

Крышка корпуса солнечного аккумулятора тепла выполнена откидывающейся для извлечения нагретого герметичного контейнера и использования его в бытовых условиях.

Установленная между герметичным контейнером и откидывающейся крышкой теплоизоляция сокращает утечки тепла через крышку корпуса. В качестве теплоизоляции использован пенопласт (пенополистирол и т.п.) или подобный ему материал с малым коэффициентом теплопроводности.

При этом толщина теплоизоляции выбрана немного больше — на 3-5% от номинального размера для поджатия контейнера с наполнителем аккумулятора тепла к теплоприемной панели откидывающейся крышкой. Таким образом обеспечен надежный контакт между теплоприемной панелью и контейнером и, следовательно, малое термическое сопротивление между ними.

Для повышения эффективности действия предложенного устройства в качестве наполнителя аккумулятора использовано вещество с фазовым превращением в диапазоне температур ~20-100°С. Применение такого наполнителя позволяет аккумулировать в герметичном контейнере в несколько раз (2-3) больше тепла по сравнению с обычным наполнителем, поглощающим тепловую энергию за счет теплоемкости. Конструкция контейнера выполнена герметичной, т.к. наполнитель при нагреве меняет фазовое состояние — из твердого превращается в жидкое, а при охлаждении — наоборот.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом.

В корпусе 1 с откидывающейся крышкой 2 и светопрозрачным защитным экраном 3 установлена теплоприемная панель 4, герметичный контейнер 5 с наполнителем 6 аккумулятора тепла и теплоизоляция 7.

Функционирование предложенного устройства происходит следующим образом. Солнечное излучение, проходя через светопрозрачный защитный экран, нагревает теплоприемную панель и герметичный контейнер с наполнителем аккумулятора тепла. Наполнитель аккумулятора, нагреваясь, переходит из твердого состояния в жидкое и накапливает при этом тепловую энергию. При интенсивном солнечном излучении контейнер с аккумулятором тепла нагревается в течение 1,5-2 часов. После этого контейнер извлекают из корпуса и используют в бытовых условиях, например, для подогрева палатки, юрты и т.п. На место извлеченного контейнера ставится запасной.

Следует отметить, что контейнер с наполнителем аккумулятора тепла можно нагревать любым источником тепла (печь и т.п.).

В рамках данного изобретения авторами разработан, выполнен в металле и испытан солнечный коллектор-аккумулятор со всеми описанными признаками.

Корпус герметичного контейнера изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т. В качестве наполнителя аккумулятора тепла использован парафиносодержащий состав с температурой плавления ~60°С. Поверхность теплоприемной панели со стороны солнечных лучей покрыта селективным покрытием с высоким значением коэффициента поглощения солнечного излучения и малым значением степени черноты.

Технико-экономическая эффективность представленного устройства заключается в том, что солнечный коллектор-аккумулятор удобен в эксплуатации — герметичный контейнер с наполнителем аккумулятора тепла занимает небольшой объем, быстро нагревается, легко извлекается из корпуса и продолжительное время служит для обогрева различных помещений.

1. Солнечный аккумулятор тепла, содержащий корпус, светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель, наполнитель аккумулятора тепла, теплоизоляцию, отличающийся тем, что наполнитель аккумулятора тепла помещен в съемный герметичный контейнер, установленный в корпусе с поджатием к теплоприемной панели откидывающейся крышкой через теплоизоляцию.

2. Солнечный аккумулятор тепла по п.1, отличающийся тем, что наполнителем аккумулятора тепла является вещество с фазовым превращением.

Аккумулятор тепла для вакуумных трубок

Аккумулятор тепла для вакуумных трубок — обеспечивает работу солнечного коллектора при отсутствии солнца !

Во всех гелиосистемах главным элементом, в котором солнечная энергия преобразуется в тепловую, являются вакуумные трубки.

Вакуумная трубка представляет из себя аналог колбы термоса (базовый наружный диаметр 58 мм, длина 1800 мм) – две спаянные наверху стеклянные трубки из боросиликатного стекла. Между ними вакуум для обеспечения теплоизоляции. Внешняя стеклянная трубка прозрачная. Наружная поверхность внутренней трубки покрыта специальным селективным многослойным покрытием, которое поглощает солнечное излучение, в результате этого нагревается и отдает тепло находящейся в трубке воде (простейшие безнапорные водонагреватели или коллектора) или установленной внутри медной тепловой трубке (трубки, изготовленные по технологии Heat Pipe). 

Трубки, изготовленные по технологии Heat Pipe, составляют основу напорных солнечных коллекторов круглогодичной эксплуатации. ( Фотографии 1,2,3)

(1) 

(2)

(3)

Внутри обычной, описанной выше, стеклянной трубки зафиксирована медная тепловая трубка с помощью теплопередающих алюминиевых лепестков.

(Фото 4)

Лепестки могут быть разной формы, но смысл их в восприятии тепла с нагретой поверхности внутренней трубки и передаче его медной тепловой трубке. Внутри медной тепловой трубки находится легкокипящая жидкость. При ее нагреве она испаряется и поднимается вверх в конденсатор (расширенная часть тепловой трубки). Конденсатор омывает теплоноситель. Он «снимает» с него тепло, охлаждая тем самым легкокипящую жидкость. Происходит ее конденсация и переход из парообразного состояния в жидкое. Жидкость стекает вниз внутри трубки и процесс повторяется. Схема показана на рисунке ниже. 

(Рисунок 5)

Коллектор в разрезе

(6)

(7)

Главным минусом работы подобной трубки, как и всех других гелиосистем, заключается в том, что при отсутствии солнца (тучи на небе, тень, ночь, снегопад) система перестает накапливать энергию. Это накладывает определенные ограничения на эксплуатацию гелиосистем. Например, истратив вечером всю полученную за солнечный день энергию (энергия накапливается в виде горячей воды в баках-аккумуляторах) мы лишаем себя бесплатной горячей воды в ночные и утренние часы до тех пор, пока вновь взошедшее солнце не обеспечит нас новой порцией энергии.
Принимая во внимание тот факт, что внутренняя полость трубки полая (см. фото 4,5,6), нашими специалистами предложено заполнить это пространство теплоаккумулирующим веществом. Задача этого вещества накапливать в своей массе тепло в то время, когда трубка находится в рабочем состоянии – освещена солнцем. Количество накапливаемой энергии определяется массой теплоаккумулирующего вещества, умноженной на его удельную теплоемкость и на разницу температуры нагрева вещества. После прекращения освещения трубки солнечным светом и, соответственно, прекращении поступления энергии извне, накопленная в теплоаккумулирующем веществе энергия будет передаваться через тепловую медную трубку теплоносителю, обеспечивая, тем самым, продолжение процесса работы всей системы. Схема трубки с теплоаккумулирующим веществом приведена на рисунке 8.

(Рис 8)

«Изюминкой» подхода наших специалистов был отказ от изготовления «капсулированного» теплоаккумулятора, т.е. от размещения теплоаккумулирующего вещества в оболочке. Это сразу резко снизило стоимость изделия. Материал был подобран таким образом, чтобы в обычной обстановке от -50 до +40 градусов он оставался твердым. Это обеспечивает отличные логистические, монтажные, торговые свойства аккумулятора. При размещении же аккумулятора в свободном внутреннем пространстве трубки и начале ее работы (освещении солнцем) материал расплавляется и занимает все свободное пространство без зазоров. Описываемая технология применима не только для вновь устанавливаемых солнечных коллекторов. Огромным «плюсом» данной разработки является уникальная возможность дооснастить (а значит и резко поднять энергоотдачу) уже установленные вакуумные коллектора без внесения каких либо изменений в смонтированное оборудование. Для этого достаточно только вытащить из манифолда солнечного коллектора трубку, установить внутри нее определенное количество теплоаккумулирующих зарядов (фото 9,10) и вернуть трубку на место. Несколько минут и энергоотдача конструкции вашей вакуумной трубки и солнечного коллектора «в целом» выросла до 50%. Описанная разработка получила защиту в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент), выдавшей на нее патент №171104.

(Фото 9)

 (Фото 10)

В ходе отработки идеи на протяжении 4-х лет ведутся испытания различных по составу и конструкции теплоаккумуляторов. В ходе испытаний фиксируется температура на конденсаторе тепловой трубки. В ходе каждого цикла сравнительных испытаний регистратор температуры одновременно, при одних и тех же погодных условиях, записывает показания температуры на «заводской» трубке (без теплоаккумулятора) и на конденсаторе трубки, оснащенной теплоаккумуляторами. По данным показаниям строится график температуры по времени и измеряется площадь под графиком температуры, которая пропорциональна энергетическим возможностям трубки. Чем больше площадь под кривой, тем выше энергоотдача трубки. В качестве примера на рисунке 11 приведены данные по испытаниям, проведенным с 29 апреля по 02 мая 2016 года.

(Рисунок 11)

Где : по оси Y – температура на конденсаторе тепловой трубки
по оси X – время суток.
На рисунке 12 приведен график температуры на конденсаторе тепловой трубки с 05-00 утра 01 мая до 05-00 утра 02 мая 2016 года (ровно сутки).

(Рисунок 12)

Какие некоторые укрупненные предварительные выводы можно сделать из продемонстрированных графиков:

1. Площадь под красной кривой (трубка с установленным аккумулятором тепла) на 40% больше площади по синей кривой («заводская» трубка), что говорит о росте энергетических возможностей трубки с аккумулятором на 40%.
2. «Пилообразность» синей кривой («заводская» трубка) говорит о сильной зависимости температуры на конденсаторе трубки от наличия/отсутствия солнца. При заходе солнца за тучи происходит падение температуры. Наличие установленного аккумулятора тепла «сглаживает» эти явления и не допускает «провалов» температуры.
3. Вечерний заход солнца приводит к резкому падению температуры на конденсаторе «заводской» трубки и остановке ее работы. В то время как наличие аккумулятора тепла позволяет поддерживать активность (рабочее состояние) трубки не только в вечернее время, но даже в ночные часы. Это обеспечивает работу солнечного коллектора даже при отсутствии солнца.
4. «Заводская» трубка быстрее выходит на рабочий режим работы. Трубка с установленным аккумулятором делает это медленнее (за счет потребления части тепла аккумулятором). В настоящий момент нашими инженерами найден путь устранения этого недостатка. Проводятся экспериментальные работы по отработке идеи и подтверждению ее результатами практических испытаний.
Таким образом наглядно продемонстрирован и подтвержден качественный скачок в повышении эффективности работы вакуумных коллекторов за счет применения разработанной нашими специалистами технологии оснащения вакуумных трубок теплоаккумулирующим материалом.

ДАЛЕЕ (Часть 2)

Бак аккумулятор для солнечных коллекторов

Бак аккумулятор для солнечных коллекторов

Для эффективной работы системы солнечного горячего водоснабжения правильно подобранный бак аккумулятор так же важен, как и солнечные коллекторы. Как известно максимальная производительность солнечного коллектора имеет определенную величину, и зависит от площади солнечного коллектора и эффективности солнечного коллектора.

С той или иной точностью, зная все перечисленные параметры, мы можем рассчитать ожидаемую производительность любого типа солнечного коллектора за произвольный период времени (кВт·ч за единицу времени). При этом, чем дольше расчетный период времени, тем более точны расчеты производительности.

Таким образом, располагая значением суммарного годового солнечного излучения, можно относительно точно рассчитать прогнозируемую годовую производительность  коллектора с довольно высокой точностью.  Однако практически невозможно рассчитать такой прогноз на отдельные дни в году или часы. Это наиболее отличает гелиосистемы от других генераторов теплоты (котлы, тепловые насосы и т.д.).

Одной из особенностей работы гелиосистемы для бытового сектора является то, что в солнечные дни время работы коллекторов довольно продолжительное, поэтому мощность гелиполя должна быть меньше чем мощность котельной, которая вырабатывает желаемое количество энергии за короткий промежуток времени.  Вторым фактором является то, что время выработки тепловой энергии и потребление не совпадают. Это видно на графике.

Данные особенности показывают, что для оптимальной работы гелиосистемы необходимо аккумулировать тепловую энергию. Для этих целей, как правило, используют баки-аккумуляторы. Их объем должен быть достаточным для хранения полученной солнечной энергии за день. В данном случае мы говорим о суточном аккумулировании тепловой энергии.

При выборе бака аккумулятора для гелиосистемы так же следует обратить внимание на следующие параметры:

• Форма бака
• Теплоизоляция
• Размеры теплообменников

Форма бака аккумулятора для солнечных коллекторов

Чем выше и уже бак, тем лучше будет термическая стратификация или другими словами температурное расслоение. Этот процесс заставляет холодную воду собирается в нижней части бака, вытесняя горячую воду в его верхнюю часть, откуда происходит разбор горячей воды. Данное явление происходит из-за различия плотности теплой и холодной воды. Менее плотная нагретая вода всегда устремляется вверх.

Для обеспечения тепловой стратификации соотношение высоты к диаметру должна быть не менее чем 2,5 к 1. К примеру, для бака объемом 300 литров диаметром около 0,65 м высота должна быть приммерно 1,75 метра.

Поскольку бак аккумулятор для солнечных коллекторов должен быть оснащен дополнительным змеевиком для дублирующего источника энергии, то тепловая стратификация играет важную роль для эффективной работы гелиосистемы.

Рассмотрим пример, как это работает на практике.

Когда бак не прогрет, нижний змеевик, подключенный к гелиосистеме, передает тепло всему объему бака. Благодаря термической стратификации нагретая вода поднимается вверх, а в нижней части вода будет холоднее. Это способствует повышению КПД и производительности солнечного коллектора.

В случае, когда солнечной интенсивности недостаточно верхний змеевик в бивалентном баке, подключенный к дублирующему источнику энергии догревает горячую воду. В данном случае нагревается только верхняя зона бойлера, где и происходит водоразбор. В таком случае потребитель всегда будет обеспечен горячей водой, по крайней мере, на ближайший водоразбор.

В таком случае, нижняя зона все еще холодная и готова принимать тепло от солнечных коллекторов. Чем больше будет эта зона, тем больше будет производительность гелиосистемы, поскольку солнечные коллекторы смогут больше передать солнечного тепла. Другими словами, увеличивается ёмкость аккумулятора. Для обеспечения максимальной эффективности, без дискомфорта для пользователя, рекомендуется оставлять за нижней зоной не менее 2/3 общего объема бака.

В случае использования моновалентного бака (с одним змеевиком) в качестве догревателя используется электрический ТЭН. Данный ТЭН так же должен быть установлен в верхней зоне бака.

Теплоизоляция бака аккумулятора для гелиосистемы

Как правило, в качестве материала для теплоизоляции используется пенополиуретан. Этот материал обладает низкой теплопроводностью и гидропроницаемостью. Толщина теплоизоляции должна быть не менее 80 мм. Коэффициент теплопроводности не менее 0,035 Вт/мК. Это позволяет баку терять не более 2-3 градусов в нагретом состоянии.

Теплообменники в бойлере для солнечных коллекторов

Поскольку солнечные коллекторы не являются стабильным теплогенератором, то следует подбирать площадь теплообменника на низкотемпературные режимы работы. Другими словами, во время слабой солнечной инсоляции, теплоноситель гелиосистемы не сможет обеспечить высокую разницу температуры. Поэтому следует увеличивать площадь теплообмена.

Оптимальным соотношением является отношение полезной площади коллекторов к площади змеевика 1 : 5.

Бак аккумулятор для солнечных коллекторов, подобранный с учетом всех перечисленных параметров, будет способствовать повышению производительности гелиосистемы и комфорту пользователей.

Теплица с грунтовым аккумулятором тепла

Живем мы в Пермском крае, это не то чтобы Сибирь, и не совсем Урал, но рядом. И погода соответствующая — лето короткое, заморозки весной и осенью это «короткое» делают совсем уж небольшим. Посему, у нас каждый уважающий себя огородник имеет в хозяйстве теплицу и часто не одну.

Растят в основном помидоры-огурцы. Болгарский перец еще, пожалуй. К слову, дать помидору дозреть на кусте непозволительная роскошь, его срывают бурым, и доходит он до помидорной своей кондиции на подоконнике. В ходу дежурная шутка — (наш район -) край вечнозеленых помидоров.

Пожалуй, прошли те времена, когда единственной возможностью растить что то, несмотря на погоду, было сделать теплицу самому, своими золотыми и народ мостил порой такое, что тянуло запечатлеть на память, словом, в меру сил, способностей и строительно-слесарных или столярно-плотницких навыков. Из чего не жалко. Ныне, когда космические корабли бороздят большой театр, химическая промышленность не устает удивлять изобретениями, намедни, казавшимися почти фантастическими. Сотовый поликарбонат вот придумали. Материал для тепличного «ограждения» просто чудо как хорош, дороговат только зараза. Опять же готовые теплицы, в разобранном виде повсеместно предлагающиеся к приобретению. Этакий конструктор «сделай сам», а-ля Икея. Размеры и соответственно стоимость на выбор.

Вообще говоря, приобретать нечто готовое, что не так уж сложно сделать самому, мы считаем моветоном — получается изрядно дешевле, часто аккуратнее и прочнее. Завести теплицу мы задумали давно, да все руки не доходили. К тому же, в процессе изучения стороннего опыта теплицестроения, нашлась изумительная конструкция — вегетарий Иванько. Интересующимся огородничеством рекомендую полюбопытствовать, книгу легко найти в интернете. Решено было строить его, с поправками в размерах под местные условия. И даже место нашлось практически идеально отвечающее довольно таки необычным для размещения теплицы требованиям — сильный склон в сторону юга, юго-востока. Однако, вегетарий — значительно более капитальный вариант «классической» теплицы и даже по самым грубым оценкам, требующий изрядных средств и времени на возведение. Оно конечно того стоит, но существовали строительные задачи более приоритетные, так что пока откладывали.

Зимой этого года нам теплицу подарили. Фабричную. Разумеется, это совсем не вегетарий и стоит ого-го, да за эти денежки, да можно было накупить столько железок и карбоната, да сделать в три, нет в четыре раза больше! Но нет, все-таки штука весьма и весьма недурная, и главное ее достоинство — все уже готово, только собрать. Да, и мы все же решили ее совершенствовать. Для начала фундамент, участок у нас, хм… ну не сильно ровный, можно сказать рай для ландшафтного дизайнера, но и с наличием ровного места под, скажем грядки… ну не сильно хорошо. Так что, для ровности и ограждения грядок. Плюс масса — якорь, который не даст улететь всей конструкции при приличном порыве ветра. Та-ак, что там у нас еще тов.Иванько придумал? Ага, грунтовой аккумулятор тепла. Как говорил Охотник из кинофильма Обыкновенное Чудо, — »Ново… ново… заманчиво, черт возьми…». Ну, что же, берём.

Чем пользовались.

Инструменты.
Прежде всего, разметочный инструмент – использовал рулетку 30м, самодельный «аршин», всякие колышки, веревочки, компас. Шанцевый инструмент – крепкая лопата, кувалда. Садовая тачка. Простой плотницкий, столярный инструмент, очень пригодился шуруповерт. Была задействована небольшая бетономешалка с ручным, вроде мясорубки, приводом, понятно всякие ведра, корыта для бетонирования. Много пользовался сварочным инвертором, электрической отрезной машинкой (болгаркой). Пригодился хороший удлинитель. Слесарный инструмент.

Материалы.
Кроме самой теплицы, использовались не особо кондиционные доски для опалубки, рубероид для неё же, арматура для фундамента. Материалы для приготовления бетона. Прямоугольные трубы для дополнительных раскосов. Трубы для наружной канализации диаметром 110мм, для подземных воздуховодов, плюс соответствующие тройники-уголки. Алюминиевые гибкие рукава, вентиляторы, провода. Старый шифер для ограждения грядок.

Итак, фотохроника с комментариями.

Весна, долгожданное солнышко, тепло, дождались! Соответсвенно и с лопатой размяться просто таки удовольствие.

«Нулевой цикл», как говорим мы — копатели всяких траншеев. А воротца, называются «обноска», на ней разметка.

Вот она моя красавица! Как говорил Прораб из Операции Ы … «силой своего воображения, представьте какой замечательный жилмассив здесь будет»

Что-то поиздержался в смысле досок, пришлось для некоторой их экономии опалубку делать частями и переставлять по мере бетонирования. Тем более, что после бетонных работ доски, считай потеряны для приличного столярного использования.

Такие вот Т-образные элементы армирования пришлось сваривать и располагать в ключевых местах — верхняя полочка будет аккурат вровень с бетоном и к ней методом сварки, потом насмерть приделаем каркас.

Вид на угол.

Готово! Ох спина, ох руки-ноги… К слову, в бетон закладывалось много «пустото-образующих элементов», а именно, бутылки и кусочки пенопласта. Здесь и вообще в деревянном строительстве ленточный фундамент избыточен и расточителен в смысле материалов. Зато не нужно потом никакие дырки между столбиками ничем затыкать, плавали, знаем. А вот так — с банками и бутылками, выходит довольно экономно, хотя повозиться, конечно, все равно приходится. Опять-же теплее.

Ребенку поручил дырки сверлить в трубах — сверлить она любит, труб много, дырок тоже, всем радость – энергия, так сказать атома, в мирное русло. Дырки, ну то есть отверстия, равномерно по всей трубе снизу, это чтоб конденсат, выпадающий на внутренней поверхности трубы, уходил в почву. Трубы ведь под землей, а значит стенки их холоднее, чем проходящий теплый воздух, вот из него влага и конденсируется. Практически капельный полив.

Вот значит, готовый собранный воздуховод под восточной грядкой.

Те же трубы, чуток другой вид. Для понятности.

Таак. Подогнан-подпилен-насверлен и в конце концов собран, «правый канал». И кубометры почвы сюда-туда… охохонюшки.

Концы труб всенепременно позатыкать-позавязывать. Однажды эта привычка очень здорово сэкономила нервов и средств.

Примерка, на ночь глядя. Ну, что сказать. Не без некоторых огрехов, но все как будто-бы становится на свои места.

Пошло укрепление — закосы, подкосы, раскосы… Насваривался всласть. Признаться, научился недавно, но очень это дело люблю. Раньше как чего делать собираешься и добираешься до необходимости сваривания, руки опускаются, а теперь… прямо таки все могу! В каркасе теплицы, надо сказать, применены ну очень тонкостенные трубы и пришлось изрядно наделать дырок, помянув малым слесарным загибом, тех кто так наэкономил при конструировании. Но подобрал электроды, ток, и дело пошло. К слову, внутренний «интерьер» формировался несколько стихийно. Первоначальная конфигурация показалась хлипковатой. Конструирование происходило следующим образом — приварил, пошатал, цыкнул, отрезал. В итоге, удовлетворительной получилась конструкция на которую приобретенных материалов не хватило, пришлось «помести по сусекам», но после зачистки и покраски в глаза не бросается. Да, маниакальное усиление конструкций и строений, обладающих сколь ни будь значительной парусностью не блажь, точнее не совсем блажь. Место у нас как оказалось весьма и весьма ветреное, и случалось в штормовую погоду с открытой веранды холодильник сдувало. Так что во избежание и для собственного спокойствия.

Здесь на фото снят «фронтон», чтобы удобно было заезжать тачкой — возить «извне» компост.

Доработки покрашены только в местах близких к прозрачному ограждению, дабы потом поликарбонат не изгвоздать, остальное потом, под крышей — очень мокрый год, каждый день дождь.

Голосом Треллони из мультфильма Остров Сокровищ, — «Полюбуйтесь на нашу красавицу…» ну и дальше по тексту.

Каждый росточек, со вздохом облегчения, сказал, — «Ну наконец-то!». С рассадой у нас вообще сложновато. Дома не так уж светло, окна выходят на открытую (пока) веранду, то есть над ними изрядный козырек и солнца попадает не так уж много. Лампы дневного света тоже света добавляют не густо. Все таки, солнце это солнце и полноценно заменить его электрическим освещением трудно. Росточки бледненькие и хиленькие. А тут красота!

Этот вот мотор с центробежным вентилятором думалось поставить для всасывания воздуха, сразу на два «канала», но вот ведь… руки-крюки… поленился за тестером метнуться, соединил провода как внутренний голос подсказал (было три провода, один сильно похож на заземление). Ну и того… дым, вонь. Отправился мотор, в места богатые дичью. Пришлось чего-то еще искать. Список кандидатов был, прямо скажем, невелик, из одного пункта. Вентиляторы от импульсных БП системных блоков компьютера.

Это вот идет процесс их имплантирования в гибкие аллюминиевые воздуховоды. Верхушечка от майонезного ведерка вклеивается силиконовым (нейтральным, а не то проест тонкий алюминий!) герметиком, а в крышку от этого ведерка уже врезается вентилятор. Крышку с вентилятором нахлобучил на торец воздуховода снабженный ответной частью, проводок подключил и порядок — герметичность, ремонтопригодность, простота конструкции, дешевизна.

Из кровельной «оцинковки» выпилил колечко. В очередной раз поразился насколько удобный инструмент ювелирный лобзик (недавно у меня появился, еще не нарадовался). Раньше пришлось бы высверливать кучу маленьких дырочек, потом напильником, потом это гнутое безобразие рихтовать… бр-р.

Ага, вот узел в сборе. Прототип, так сказать.

Это через несколько дней маленько окультурил — саморезы подпилил да сеточку натянул, чтоб в трубах не устраивать кладбище домашних животных…

Это вот зачем колечко было надо.

Тройник для 12 вольт.

Забор воздуха тоже с сеточками, практика показала, что очень не напрасно, мусора бы туда навалилось за сезон… Кстати, на фото высаженные саженцы табака, сорт, не требующий ферментации.

Форточка с северной стороны поначалу игнорируемая, таки понадобилась. Пришлось рихтовать воздуховоды, к счастью это не трудно.

Приспособил бочку для полива согретой на солнце водой. Раньше в ней грели воду для мытья, на импровизированном очаге, почти что костре. Здесь её чудовищная закопченость оказалась кстати.

Через некоторое время, были приобретены пара таких вот канальных вентилятора, на 220 вольт.

Установлены взамен компьютерных, «на выдувание». Несколько изменена конфигурация воздуховодов.

Пришла пора, собраться с духом и окультурить временные провода по земле. Толстый силовой кабель (подогрев), пара проводов потоньше (раздельно вентиляторы и освещение) и кабель с витыми парами для датчиков. Всё это добро поровну распределилось и засунуто в два куска металлопластиковой водопроводной трубы. Были те еще пляски с бубном, но одолел. Всё это завелось в мастерскую не глубоко под землёй.

Вот под потолком видны неразделанные концы в мастерской и контроллер управления па полочке.

Из окна мастерской.

Сезон отработала, теперь зимняя спячка. Вентиляторы отсоединены и спрятаны в теплое место, рукава завязаны полиэтиленовыми пакетами, чтоб внутрь не набивалось мусора-пыли-насекомых. Теплица используется для сезонного хранения огородных принадлежностей, материалов.

Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Солнечный коллектор, самодельный трекер и теплоаккумулятор

Вдали от цивилизации

Речь пойдёт вот о чём. К примеру, семьянин средних лет собрался обзавестись садом-огородом. Однако все доступные ему участки находятся далеко за пределами территорий с инженерными сетями. Там, на полученном участке, ему предстоит построить домик. Только вот с его отоплением возникнут проблемы: запас топлива, конечно, будет, но, приехав туда ранней весной, пока растопишь печку да прогреешь свой кров после холодных ночей – пора собираться обратно.

Хорошо бы поставить солнечный нагреватель, да вот беда: для работы системы циркуляции теплоносителя требуется электричество, а ближайшая линия – за тридевять земель. Да и не оставишь всю эту систему без присмотра, а тем более, если ещё установлено сложное устройство для наведения на солнышко самого коллектора, чтобы он подольше да получше грел. Да неплохо бы соорудить какой-нибудь запасник тепла на случай затянувшейся пасмурной погоды. Ну а если к тому же прикупить недорогую солнечную панельку на две-три лампочки, совсем красота!

Поразмыслив, глава семейства решил сделать всё возможное сам. Руки не крюки и голова соображает. Понадобится помощь что-либо выточить или сварить – есть к кому обратиться.

А вот как и из чего – это вопрос! Об этом и потолкуем.

Где накапливать тепло?

Начнем же с запасника тепла – иначе, с теплового аккумулятора. Сразу на ум приходит бак с водой. И далее – трубы, батареи. Их надо защитить от коррозии и утеплить так, чтобы не разморозило в холода при отсутствии подогрева. И опять же: воду надо качать насосом. Нет, надо что-то попроще. И без ВОДЫ!

А что, если сам фундамент домика выполнить в виде защищенного от грунтовых вод бункера, утеплить изнутри стенки, проложить на дне нехитрую конструкцию, например, из гнутого уголка (как на рис.1) и заполнить почти доверху промытым крупным гравием, мелким булыжником, боем кирпича и т. п.?

Сверху настелить полы – они при нагретом заполнителе будут очень теплыми и поддержат тепло в домике. Впрочем, если домик уже построен, то такой теплоаккумулятор можно соорудить на участке, над ним расположить теплицу, от него провести теплоизолированный трубопровод под полы в домике, в сауну, сушилку и к простейшему бойлеру. (Ничего не забыто?).

В этом случае можно использовать и другой вариант конструкции теплоаккумулятора: за глухой стенкой помещения построить примыкающий к ней узкий отсек с наружной кладкой из пустотных блоков (кирпича), заполнить его материалом-теплонакопителем и сделать соответствующее перекрытие. (При этом позаботиться и об усилении стенок: пилястры, жесткие взаимные связи и т. п.). Если полы жилища недостаточно теплопроводны, можно за плинтусами у наружных стен оставить зазоры в 3 – 5 мм.

Сразу встаёт вопрос: а каковы должны быть размеры теплоаккумулятора? Ну, это определяется, исходя из конкретных условий на участке – с учетом особенностей построек и общей планировки. Здесь самое важное – знать необходимую массу теплоаккумулирующего материала с учетом его удельной теплоёмкости, максимально возможной температуры нагрева выбранным солнечным коллектором, допустимого уровня снижения температуры, теплопотерь. А в первую очередь – требуемого расхода тепла на все главные нужды при продолжительной пасмурной погоде. А уж от массы материала с учетом его насыпной плотности перейти к объёму и определить подходящие габариты теплоаккумулятора. Ничего себе задача?!

Можно, конечно, привлечь специалистов из проектного института, они сделают все расчёты и выдадут готовый проект. Но это обойдется в довольно круглую копеечку. А где гарантия в надёжности результатов расчётов и оптимальности выбранных параметров. (Из практики работы многих проектировщиков мы знаем о таких «перестраховках», что мало не покажется!). Так что уж лучше поразмыслить самим.

Если исходить из опыта проживания в типичном садовом домике со стенами из блоков или кирпича, с утепленным чердаком и умеренным остеклением, в весенне-осеннее время (зимой-то там почти делать нечего и достаточно поддерживать небольшую плюсовую температуру) для комфортного обогрева необходим суточный расход энергии 30…50 кВт۰ч с учетом пользования водонагревателем. Допустим, целую неделю не будет солнца. Стало быть, энергоёмкость теплоаккумулятора при потерях тепла до 15% должна быть около 400 кВт۰ч, а это почти полтора миллиона килоджоулей. Допустим, что в качестве теплоаккумулирующего материала выбран гравий. Его усредненную теплоёмкость примем равной 0,84 кДж/кг۰град. Следовательно, при ориентировочной разности температур в теплоаккумуляторе от его предельного нагрева до допускаемого остывания (когда ещё возможен отбор тепла) в 150 градусов нам потребуется 1500000/(0,84۰150) кг. При насыпной плотности гравия 1500 кг/куб.м объём составит всего-то 8 кубометров.

Стало быть, если вы живете в средней полосе России, то, пристроив к стене садового домика накопитель тепла метровой ширины, вы уже можете даже зимой погреться там, а то и вырастить в небольшой тепличке собственную зелень!

Чем нагревать?

А теперь поговорим о том, чем нагревать. Все известные до вчерашнего дня солнечные нагреватели заведомо не годятся в нашем не электрифицированном хозяйстве: нагретый теплоноситель надо подавать в расположенный внизу аккумулятор принудительно, а для этого нужна энергия. Вот тут то и обратимся к свежему изобретению под названием «Солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель» (патент РФ № 2535193, 2014 г.). Этот коллектор не нуждается в каких-либо нагнетателях: он сам обеспечивает циркуляцию теплоносителя за счет солнечной энергии и без всяких преобразователей её в электрический ток. Да, основные варианты конструкции коллектора, предлагаемые в упомянутом патенте, слишком сложны для изготовления в домашних условиях, однако в описании изобретения упоминаются и упрощенные конструкции, которые можно осилить вне заводских территорий. На них и остановимся.

Сразу оговоримся, что упрощенные конструкции коллектора-нагнетателя рассчитаны только на газообразный теплоноситель, но ведь нам это и надо: мы же, отказавшись от воды, используем воздух.
Принцип работы нашего коллектора такой. В герметически замкнутой полости с проточным каналом воздух нагревается солнечными лучами до расчетной температуры – порядка двухсот градусов. При этом проточный канал с одной стороны имеет обратный клапан, а с другой стороны тоже клапан, но только типа предохранительного с круто падающим усилием возврата, например, с использованием постоянного магнита. Для его срабатывания требуется определенное давление, при котором он резко открывается и остаётся открытым под действием воздушного потока. Но этот поток при прохождении (с большой скоростью!) в отходящей трубе при сброшенном избыточном давлении в коллекторе прекращается не сразу: он успевает за счёт собственной инерции затянуть через обратный клапан холодный воздух – даже с некоторым «наддувом». При этом оба клапана один за другим (обратный – последним) закрываются и процесс повторяется.

Устройство такого нехитрого коллектора показано на рис. 2. (Следует подчеркнуть, что длина соединённых с коллектором труб должна быть не менее общей протяженности нагревающего канала и, желательно, без резких поворотов).

Каковы же размеры коллектора? Судя по тому, что он в лучшем случае будет облучаться солнцем не более 6 – 7 часов в день, площадь абсорбера должна быть не менее 8 кв. м. Многовато! Для поворотной конструкции тяжело и громоздко. Да и расчётную температуру получить не удастся. А что будет в непогоду?

Эврика! Давайте сразу убьём трёх(!) зайцев. Для этого сократим площадь до 5 кв. м. Но над коллектором поставим легкий козырек с отражающей нижней поверхностью, как показано на рис. 3. Тут нам и облегченная и компактная конструкция, и усиленный нагрев, и защита от непогоды!

Да, не забыть о ветровых нагрузках! Снег то не удержится на козырьке с таким же крутым наклоном, как и у самого коллектора – 30…35 град. от вертикали. А вот парусность большая. Конечно, нет никакой необходимости слишком высоко поднимать коллектор, лучше выбрать для него не затеняемое место и оставить всего лишь проход под ним. При необходимости, усилить опору и обязательно оставить зазор (в пол-аршина) между ближайшими кромками коллектора и козырька.

Итак, горячий воздух подаётся в теплоаккумулятор, проходит через его нагреваемую засыпку сверху вниз (его утечки во внешнее пространство надо исключить) и далее – с пониженной температурой – в обогреваемые помещения, где в самых холодных углах над полом расположены воздухозаборные каналы (трубы с регулирующими заслонками), соединенные со входом в коллектор.

При работающем коллекторе циркуляция будет обеспечена. А при неработающем? Тут требуется дополнительное и тоже нехитрое устройство. В засыпке теплоаккумулятора укладываются трубы, сваренные в форме змеевика. Одной стороной такой теплообменник подключается – через свой обратный клапан – к воздухозаборному каналу в помещении, а другой – через магнитный клапан (он, конечно же, послабее, чем у коллектора) соединен с подполом. (Кстати, о таком теплообменнике упоминается в том же изобретении). Вот и всё!

Простой трекер для солнечного коллектора

А как же насчёт самоориентации коллектора на солнце? И здесь всё просто. Посмотрим на рис. 3. Коллектор своим центральным патрубком посажен на опору с возможностью свободного вращения. Внизу патрубка имеется кривошип регулируемой длины с поворотным патрубком для соединения с рычагом из стальной полосы, (чтобы при повороте коллектора он мог упруго прогибаться в направлении опоры), а поворотный патрубок на конце кривошипа позволит соединённому с ним (штырём) рычагу перемещаться в другой вертикальной плоскости в пределах его угла поворота – около 5 градусов.

Поворот рычага, закрепленного на оси, проходящей сквозь опору, происходит под действием разности продольной силы у вертикально расположенных теплочувствительных полос длиной по 2 м, одна сторона которых, обращенная к другой полосе, зачернена, а другая сторона закрыта от солнечных лучей, например, доступным сегодня пленочным теплоизолирующим покрытием (Теплометт «400», «Броня» и т. п. Его можно использовать и для теплоизоляции труб, тыльной поверхности коллектора). Дисбаланс этих сил при солнечном нагреве одной из полос обеспечивает поворот рычага, достаточный для перемещения кривошипа в пределах необходимого поворота коллектора от исходного направления на юг (в нашем северном полушарии) на 45…50 град. к востоку либо западу. А больше и не надо: весеннее и осеннее солнышко греет (да и светит!) только в этом интервале.

Для настройки системы ориентации коллектора – а тут особой точности и не требуется – длину кривошипа можно регулировать, меняя таким образом передаточное отношение в сопряженной паре рычаг – коллектор.

Вот так. Выполнив все дела и убедившись в исправной работе всего комплекса, можно навсегда забыть и о дровах, и о теплоснабжающих организациях.

А если хозяин участка, выйдя на заслуженный, решит переехать в свой садовый домик на ПМЖ, к тому времени, будем надеяться, наша промышленность освоит выпуск нового, впрочем, уже разработанного преобразователя, который позволит от того же теплоаккумулятора получать столько электроэнергии, что хватит на все бытовые нужды. Включая и пользование электроинструментом. Так что «новоиспеченному» пенсионеру не придётся сидеть без дела!.

Н. Ясаков, Новороссийск, e-mail: [email protected]

солнечная энергия — F.A.Q. о котлах и отоплении

Теплоаккумулятор призван накопить излишнее тепло, выработанное солнечным коллектором, и равномерно распределить его в течении суток или даже нескольких дней. Делать солнечный коллектор без какого либо теплового аккумулятора нет большого смысла (разве что в расчете на тепловую инерционность дома). Но по логике, следует делать такой комплекс из теплового аккумулятора и солнечного коллектора, который бы обеспечивал бы дом теплом хотя бы одну ночь (после солнечного дня или хотя бы нескольких солнечных часов). А лучше — в течении нескольких дней после хотя бы одного солнечного дня.

Вместе с тем, не стоит наивно надеяться только на солнечный обогрев в условиях средней полосы России. Достаточно продолжительный пасмурный период с октября по февраль , короткий световой день и маленький угол наклона Солнца делают солнечный обогрев в этот период весьма проблематичным. Поэтому солнечный обогрев следует воспринимать как способ экономии расходов на отопление, а не полную альтернативу традиционному отоплению.

Теплоаккумулятор должен представлять из себя достаточно теплоемкое устройство, способное быстро аккумулировать тепловую энергию, достаточно долго его хранить и отдавать по требованию. Его теплоемкость должна соответствовать как мощности солнечного коллектора, так задачам, стоящим перед теплоаккумулятором. Вообще говоря, на Руси пользовались теплоаккумулятором издревле. Все известна т.н. «русская печь». Это несколько тонн кирпича и достаточно большая камера для горения дров. Будучи интенсивно протоплена в течении нескольких часов, такая печь хранила тепло несколько суток! Чем вам не теплоаккумулятор?

Конструкция теплоаккумулятора определяется физикой процесса. Из солнечного коллектора поступает воздух с температурой 40-60 градусов. Этим воздухом обдувается рабочее тело теплоаккумулятора. Оно нагревается и когда надо, через него начинают продувать воздух, который затем направляют на обогрев помещений.

Давайте рассчитаем, сколько тепла сможет выработать солнечный коллектор (его условный квадратный метр) и какой теплоаккумулятор должен ему соответствовать. Допустим, солнечный коллектор эффективно освещается солнцем 6 часов. За это время на него падает примерно 5 Квт тепловой энергии. Это эквивалентно 18 Мдж. Посмотрим, как нам лучше запасти эту энергию (КПД мы пока не учитываем).

В подавляющем большинстве случаев авторы всевозможных проектов рекомендуют использовать каменно-гравийные теплоаккумуляторы. Это достаточно разумно. Материал вечный, никаким воздействиям не подвержен. Ничего не боится. Но теплоемкость камня = 0,8 Кдж/кг*град. Что бы запасти всю энергию солнечного коллектора, нам потребуется примерно 750 кг. Камней (при условии, что исходная температура камней была 20 градусов.)

750 кг. это не много, где-то 0,3-0,4 кубометра. Но запасенного тепла нам хватит на отопление всего 2-х квадратных метров площади (из расчета 100 ватт/метр) .

5000 Ватт / 24 часа / 100 ватт = 2,08 метра. (и это без учета КПД и всевозможных потерь).

А что бы запасти тепла на сутки для дома в 100 кв. метров, нам потребуется соответственно в 50 раз больший солнечный коллектор и в 50 раз больший теплоаккумулятор. Т.е. солнечный коллектор в 50 кв. метров и аккумулятор на 37,5 тонн ! (Реально — тонн 50). Такой теплоаккумулятор будет занимать объем уже в 20-25 кубометров. И это всего лишь ради отопления на 1 сутки!

Если солнечная погода стоит несколько дней подряд, можно было бы запасти тепла по больше, но второй закон термодинамики гласит, тепло не передается от более холодного тела к более теплому в обычных условиях. Т.е. как только теплоаккумулятор нагреется до температуры обдувающего его воздуха, он перестанет поглощать и накапливать тепло. Сделать теплоаккумулятор более теплоемким можно либо дальнейшим его наращиванием по объему, либо применением более теплоемких материалов.

Самым теплоемким (и бесплатным) материалом является вода. Ее теплоемкость ~ 4.2 Кж/кг*град. Это в 5,25 раз больше, чем у камня. Т.е. для того условного метра солнечного коллектора нам потребуется не 750 кг камня, а примерно 150 литров воды. (для суточного аккумулятора и 50 метрового солнечного коллектора соответственно ок. 7,5 тонн воды. ).

Но если организовать теплообмен между воздухом и камнями проще простого (проложил воздуховод и завалил его камнями, воздух будет проходить в щели между камнями и обмениваться с ним теплом). То сделать теплообменник вода / воздух гораздо сложнее. Однако тут есть весьма интересное и остроумное решение — создать искусственные камни с теплоемкостью воды! Как? Да разлить воду по пластиковым ПЭТ бутылкам и канистрам! Многочисленные зазоры между ними будут тем самым теплообменником вода/воздух.

Конечно, бутылок и канистр потребуется весьма много для нескольких десятков тонн воды, но зато не потребуется делать никакого теплообменника.

Разумеется, человек, задумавший устроить у себя солнечное отопление из коллектора и теплоаккумулятора, скорее всего будет исходить не из того, что надо или хочется, а из того, что он может себе позволить сделать. Если есть крыша определенного размера, из которой можно сделать солнечный коллектор, то вряд ли он будет делать солнечный коллектор специально (большего размера или в стороне от дома). То же и с теплоаккумулятором. Это ведь не бочка с водой для садового душа. Тут счет идет на кубометры. И устроить теплоаккумулятор с бухты – барахты вряд ли удастся. Место для него надо заранее резервировать на стадии проектирования дома. Чем я собственно и занимаюсь…

Итак, в моем случае , согласно проекта под теплоаккумулятор выделяется примерно 60-65 кубометров подвала. Тут можно будет разместить около 50 тонн воды (в канистрах по 10-20 литров и т.п.) В теплооборот будут так же включены примерно 30 куб. метров бетона (ок. 50 тонн) составляющих стены подвала теплоаккумулятора (их планируется утеплить с другой стороны для уменьшения теплопотерь аккумулятора).

Таким образом максимальная теплоемкость моего теплоаккумулятора (для перепада температур в 40 градусов составит 50.000 кг * 4,2 КДж * 40 + 50.000 кг * 0,8 КДж * 40 = 10.000 Мдж (10 ГДж). Это эквивалентно сжиганию примерно 600-1000 кг отборных дров (1,5-2 кубометра). Больше этого количества тепла я не смогу запасти даже теоретически. Если учесть что отопления потребуется порядка 100 ватт/час/кв.м , (0,36 Мдж), то я смогу этим теплом обогреть 27000 кв.м/час. (т.е. либо 100 кв.метров в течении 270 часов, либо 200 кв. метров в течении 135 часов, либо 25 метров в течении 1000 часов и т.д.). Разумеется это зависит от конструкции дома и организации теплоаккумулятора и системы воздушного отопления.

Теперь давайте рассчитаем, за какое время мой солнечный коллектор сможет нагреть этот теплоаккумулятор. Солнечный коллектор теоретически может иметь площадь до 100 кв. метров. Допустим, с каждого метра я смогу снимать по 500 Ватт энергии в час. (это примерно 1,8 МДж/час. Соответственно со всего коллектора 180 Мдж/час. Что бы зарядить весь теплоаккумулятор «по самую крышку» соответственно потребуется 10000 / 180 = 55-60 солнечных часов. В реальности — гораздо больше, т.к. у теплоаккумулятора есть и теплопотери. Возможно, в реальности он никогда и не зарядится на полную силу.

Получить 60 солнечных часов подряд , как понимаете, совершенно невозможно. Максимальное время, в течении которого солнечный коллектор – крыша будет работать – это 5-6 часов в лучшем случае. Крыша ориентирована на юг и утром и вечером ждать от нее эффективной работы не стоит. Но за 5-6 часов она способна выдать около 1000 МДж тепла (т.е. зарядить теплоаккумулятор на 1/10 его емкости). Правда есть небольшой резерв в виде пристроенного к дому зимнего сада. Площадь его крыши примерно 50 кв. метров, возможно с него тоже можно будет получать определенное количество тепла.

Напрашивается вывод: Необходимо разделить теплоаккумулятор на несколько «банок» — отделов. Тогда можно будет управлять им по значительно более гибкому алгоритму. Если солнечный день — случайность, и их всего 1-2, то в течении его и зарядить 1-2 «банки» (например 20%) аккумулятора. Зато практически полностью. Если же установилась хорошая погода надолго, то последовательно заряжать все остальные банки теплоаккумулятора. Так же следует и расходовать тепловую энергию, по очереди «разряжая» отделы аккумулятора.

Для такой организации «банки» должны быть серьезно теплоизолированы друг от друга, но иметь возможность объединятся. Гибкая система управления позволит наиболее полно использовать потенциал солнечного отопления.

Другой вывод, который можно сделать из вышеприведенных расчетов: При правильной организации солнечного коллектора и теплоаккумуляторы 1 условный квадратный метр солнечного коллектора за один свой «рабочий час» (когда он освещен солнцем) вырабатывает тепловую энергию в количестве достаточном для отопления с коэффициентом 5-8 . (Для условной величины расходов на отопление 100 Ватт/кв.метр). Чем лучше утеплен дом, более качественно устроен тепловой коллектор, теплоаккумулятор и коммуникации, тем выше будет этот коэффициент.

Можно даже вывести простую формулу некоего теплового баланса.

Кк * Sск * Тсолн. = Sот * Тоб, где

Кк — коэффициент конверсии тепла, 5…8 (не более 8 принципиально при КПД 100%)

Sск — площадь солнечного коллектора (кв.м)

Тсолн — время эффективного освещения коллектора солнцем. (часы)

Soт — обогреваемая площадь помещения. КВ м.

Тоб — время обогрева помещения (час.)

Исходя из своих возможностей или потребностей и располагая определенными исходными данными, можно рассчитать все остальные параметры солнечного обогрева.

Например, у вас есть возможность сделать солнечный коллектор площадью 10 кв. м, который будет освещен в течении 5 часов. Получим 5..6 * 10 * 5 = 250…300. Соответственно, мы сможем отапливать 25 кв.м. в течении 10-12 часов. Или 10 кв. м в течении суток.

Очевидно, что имея небольшой солнечный коллектор, нет смысла закладывается на отопление всего дома. Лучше качественно обогревать 1 помещение . Это уже даст существенное экономию топлива или электроэнергии. Но приведенные расчеты доказывают, что организовывать солнечный обогрев в средней полосе ЕЧ России как основной — достаточно проблематично. А вот использовать его как вспомогательный — весьма перспективно.

Посудите сами. В конце ранней осени, после бабьего лета, после теплых ясных дней, теплоаккумулятор большой емкости будет заряжен практически полностью. Это обеспечит очень существенную экономию топлива в период практически до конца ноября. В декабре и январе солнечный обогрев работать не будет, а начиная примерно с середины февраля солнечные дни уже не редкость и солнечный обогрев вновь начнет набирать обороты. C середины марта солнечный обогрев может сделать уже ненужным использование традиционного топлива. Таким образом, мы сокращаем отопительный сезон всего до 2-3 месяцев, вместо 6-7! Экономия топлива минимум 50% . Учитывая практически вертикальный рост цен на энергоносители окупаемость затрат на создание солнечного обогрева составит максимум несколько лет.

Константин Тимошенко