Индивидуальные солнечные установки

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МОНТАЖ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Коллекторы солнечной энергии, как правило, изготов­ляются в заводских условиях, а на месте они монтиру­ются на опорной конструкции. Однако простые коллек­
торы можно изготовить собственными силами, хотя сле­дует иметь в виду, что их эффективность будет не слиш­ком высокой. Основным элементом солнечного коллек­тора является абсорбер, т. е. лучепоглощающая поверх­ность. Конструктивное выполнение абсорберов различных типов для жидкостных и воздушных коллекторов пока­зано на рис. 10 и 11. В жидкостных коллекторах наибо­лее часто используется лучепоглощающая поверхность, представляющая собой ряд трубок небольшого диаметра (10—15 мм), соединенных с плоским ребром (листом). Трубки могут располагаться сверху, снизу или в плоско­сти листа. Трубки присоединяются к верхнему и нижне­му гидравлическим коллекторам. В других конструкциях используются соединенные между собой плоский и гофри­рованный листы с каналами для теплоносителя либо штампованный абсорбер. В воздушных коллекторах лу- чевоспринимающая поверхность обычно представляет со­бой плоский лист с оребрением или без него, омываемый потоком воздуха снизу, сверху или с обеих сторон.

Для эффективной и надежной работы коллектора в те­чение длительного срока важное значение имеет правиль­ный выбор материала для изготовления абсорбера, о чем говорилось выше. Не менее важно обеспечить хороший тепловой контакт между трубками и оребрением. Ребро может быть приварено, припаяно и присоединено к труб­кам с помощью хомутиков или пружинящих прижимов. Конечно, наилучший способ соединения — сварка или пайка. Способ и качество соединения трубок для тепло­носителя с лучепоглощаклцим листом сильно влияют на его тепловую эффективность, которая зависит от многих конструктивных факторов.

Корпус коллектора должен быть герметичным и не должен допускать утечки теплоносителя и попадания вла­ги и пыли внутрь коллектора. Для этого остекление долж­но быть надежно уплотнено. Примеры конструктивного выполнения уплотнения узлов соединения лучепоглоща - ющей поверхности и остекления с корпусом показаны на рис. 73.

На рис. 73,а показана конструкция уплотнения двух­слойного остекления жидкостного солнечного коллектора. Стекло уплотняется с помощью П-образной прокладки из силиконовой резины. Для обеспечения необходимого воз­душного зазора толщиной 15—25 мм между слоями ос­текления используется деревянная или пластмассовая
вставка. При сборке коллектора остекление зажимается между деталью корпуса коллектора и прижимной крыш­кой. Форма этих двух деталей обеспечивает фиксацию их взаимного расположения и положения остекления. Они соединяются с помощью винтов.

На рис, 73, б показан вариант крепления солнечного коллектора на крыше дома. Коллектор содержит луче - поглощающую поверхность с трубами для теплоносителя,

Г 1 у/л/ж/ /

Теплоизоляцию и однослойное остекление. Стекло поме­щается между двумя резиновыми прокладками на полке фигурной детали корпуса и прижимается с помощью на­кладки и винтового соединения. Коллектор крепится к строительной конструкции крыши, включающей дере­вянную балку и стропило. Покровный материал крыши закрепляется на досках с уплотнительными уголками и резьбовым соединением.

На рис. 74 представлены схемы подвода и отвода жид­кого теплоносителя в коллектор, абсорбер которого вы­полнен из ряда трубок (а и б) или из змеевика (в). Со­единение по схеме б менее удачно, чем по схеме с, так

*-6)

I I

Рис. 74. Схемы соединения труб в КСЭ: а — 2-образная схема; б— центральный подвод и отвод воды; в — змеевик

Как не обеспечивает равномерного распределения жидко­сти по трубкам. В змеевике (схема в) должен быть ук­лон, обеспечивающий вытеснение воздуха при его запол­нении водой.

Конструктивное исполнение жидкостного штампован­ного коллектора показано на рис. 75. Коллектор может иметь большие размеры, и в нем предусмотрен уклон верхнего и нижнего гидравлических коллекторов для удаления воздуха. Толщина листа 1—1,5 мм, площадь поперечного сечения канала для теплоносителя 10X2 мм, а размеры сечения гидравлических коллекторов 25X3 мм.

Коллектор солнечной энергии может содержать не­сколько отдельных модулей, соединенных параллельно. Для обеспечения равномерного распределения жидкого теплоносителя необходимо использовать схемы соедине­ния, показанные на рис. 76, а и б, или устанавливать на

Рис. 75. Конструкция штампо­ванного жидкостного солнечно­го коллектора:

1 — остекленный теплоизолирован­ный корпус; 2 — канал для тепло­носителя; 3 — подвод теплоноси­теля; 4 — отвод теплоносителя

Каждом ответвлении регулирующий вентиль (рис. 76,в). При большом числе модулей в КСЭ обычно осуществля­ется их параллельно-последовательное соединение.

Схемы параллельного соединения большого числа мо­дулей плоских и вакуумированных (с тепловой трубой) коллекторов показаны на рис. 77. Весь массив КСЭ раз-

Рис. 76. Схемы соединения модулей КСЭ:

1 — подвод воды( 2 -г модуль; 3 — отвод воды; 4 — регулирующий вентиль

Бивается на несколько подмассивов, состоящих из опре­деленного числа рядов, включающих по пять—десять модулей. На рис. 77 показан подмассив из 50 модулей КСЭ, разделенный на десять рядов по пять модулей в каждом.

Коллекторы солнечной энергии могут быть установ­лены на крыше дома, на земле, на козырьке над окном или на навесе для автомобиля (рис. 78). Целесообразно устанавливать коллектор в плоскости наклонной крыши в случае, если углы наклона крыши и КСЭ совпадают.

При монтаже КСЭ на горизонтальной крыше КСЭ уста­навливают на опорной конструкции, обеспечивающей оптимальный угол наклона. Коллектор может служить ограждением балкона (рис. 79) или быть частью стены.

Возможны различные варианты размещения солнеч-

Ного коллектора на крыше (рис. 80). Коллектор совме­щается с южным склоном крыши (а), составляет часть южной стены (б), размещается вертикально за стеклян­ной частью крыши (в) или устанавливается на опорах на крыше и на балконе (г). Вариант а используется для горячего водоснабжения, остальные — для отопления, так как в системе отопления угол наклона коллектора должен быть большим. Для увеличения поступления солнечного излучения на коллектор применяется плос­кий отражатель (б и г). Бак аккумулятор для горячей воды может размещаться на чердаке.

Совмещение коллектора с крышей дает следующие

Преимущества: удешевляется строительство, так как кол- лектор заменяет крышу и не требуется специальная опор­ная конструкция; снижаются теплопотери коллектора, так как его нижняя поверхность и соединительные трубы не контактируют с наружным воздухом, однако усложня­ются монтаж и ремонт. Недостатком является также то, что угол наклона крыши может не совпадать с оптималь­ным углом наклона коллектора. При свободной установ­ке коллектора или гелиоустановки в целом облегчается монтаж и ремонт, обеспечивается оптимальная ориента­ция и наклон коллектора, но требуется устойчивая опор­ная конструкция, а это повышает стоимость строитель­ства, увеличивает теплопотери от коллектора и труб и при этом не всегда удается удовлетворить эстетичес­кие требования при размещении гелиоустановки на кры­ше дома.

При прохождении труб через крышу или стену отвер> стия должны быть тщательно уплотнены. Осуществляя

Монтаж КСЭ, следует соблюдать меры предосторожно­сти, чтобы не повредить остекление.

На рис. 81 показан пример расположения солнечно­го коллектора на крыше жилого дома. Обращает на себя внимание рациональное архитектурное решение, обеспе­чивающее хорошее эстетическое восприятие гелиосис­темы.

Крыша должна выдерживать вес гелиоустановки. Для уменьшения локальной нагрузки под ножки опорной конструкции подкладывают настил или швеллеры. При

Необходимости несущая способность крыши должна быть усилена. Гелиоустановка должна быть надежно закреп­лена с помощью проволочных растяжек, анкерных болтов (заделанных в бетонное основание), чтобы она могла выдерживать ветровую нагрузку. Размещать гелиоуста­новку следует ближе к коньку в центре крыши. Все от­верстия для труб должны быть тщательно уплотнены, чтобы в дом не попадала влага.

Современная тенденция состоит в разработке коллек­торов с малой удельной массой и хорошими оптико-теп­лотехническими характеристиками. При этом легко осу­ществляется их монтаж. Примером может служить кол­лектор МЕГА, разработанный совместно Швецией и Канадой. Особенностью коллектора является применение сворачиваемого в рулон абсорбера, представляющего со­бой медную трубку с алюминиевым ребром с селектив­ным покрытием. Он может иметь большие длину (до 100 м) и поверхность (до 250 м2). На место монтажа сол­нечной установки абсорбер поставляется в виде рулона, а там он «разматывается» и монтируется в корпусе. Тех­нология монтажа демонстрируется на рис. 82. Вначале (/) анкерными болтами закрепляют опорную конструк­цию и подкладывают резиновую надувную подушку под корпус коллектора. Затем на закрепленный в корпусе слой тепловой изоляции укладывают разматываемые по-

Лосы абсорбера, которые предварительно «раздувают». На этом же этапе (2) производят механическое соеди­нение медных трубок абсорбера с гидравлическими кол­лекторами. После этого с помощью _ сжатого воздуха (1 МПа) раздувают все трубки абсорбера до их полного размера в поперечном сечении (3). Па следующем этапе (4) устанавливают остекление, при этом используют ли­сты размером 1,2X1.2 м. Накачивают (5). резиновые ка­меры, поднимающие коллектор до такого положения, ко* торое соответствует ойтимальному углу наклона для данной местности. Устанавливают постоянную, опорную конструкцию и убирают надувные подушки (6).

Описанная прогрессивная технология обеспечивает высокую производительность труда монтажников — трое рабочих за день могут собрать 125 м2 коллектора, име­ющего длину 50 м. Единичный модуль размером 2,5>< Х3<2 м поступает е завода в собранном виде (кроме аб­сорбера и остекления), имеет массу 50 кг, поэтому его легко устанавливать двум рабочим.

Эти коллекторы имеют следующие преимущества: ма­лую удельную массу, отнесенную к 1 м2 площади поверх­ности коллектора; отличные оптико-теплотехнические ха­рактеристики: эффективный оптический КПД, который равен 0,746, коэффициент теплопотерь 3,68Вт/(м2-К), высокую надежность. В этой конструкции исключается 75—80 % наружных соединений труб, благодаря чему снижаются теплопотери и исключаются затраты на мон­таж, тепло - и гидроизоляцию трубопроводов. При темпе­ратуре теплоносителя до 60 °С можно использовать не­большое количество теплоизоляционного материала, а при более высокой температуре требуется система подав­ления конвекции воздуха в з|зоре между лучепоглоща - ющей поверхностью и остеклением коллектора. Стои­мость коллектора ниже, чем коллекторов стандартных конструкций, и соответственна меньше срок окупаемости. Еще одной особенностью этого коллектора является ис­пользование легковесной опорной конструкции.

Существенно повышает КПД коллектора наряду с применением селективных покрытий также использо­вание прозрачной гофрированной вставки между одно­слойным остеклением и селективным абсорбером и отра­жательной пленки (фольги) над слоем теплоизоляции (рис. 83). Вставка предназначена для снижения конвек­тивных теплопотерь и изготовлена из фторированного

Полимера (пленка толщиной 0,025 мм), имеющего про - пускательную способность 0,98. Абсорбер изготовлен из нержавеющей стали и имеет селективное покрытие. Эф­фективный оптический КПД коллектора равен 0,79, а ко­эффициент теплопотерь 3,3 Вт/(м2-К).

Солнечные коллекторы из полимерных материалов. Дешевые высокоэффективные и надежные плоские сол­нечные коллекторы могут быть изготовлены с широким

_______________________________ 2________________________________

/ХАААЛАА/

'ШШК;

Рис. 83. Высокоэффектив­ный солнечный коллектор с низкими конвективными теплопотерями:

1 — прозрачная гофрированная вставка; 2— остекление; 3— абсорбер; 4 — отражательная пленка; 5 — теплоизолирован­ный корпус

Использованием тонких полимерных пленок и пеноплас - тов. Масса КСЭ может быть доведена до 2,5 кг на 1 м2 лучепоглощающей поверхности.

Конструкция КСЭ содержит всего четыре элемента: абсорбер с селективным покрытием, алюминиевую штам­пованную раму, пенопластовую теплоизоляцию и внеш­нюю оболочку из полимерной пленки, приклеенной краме.

Один и тот же элемент выполняет несколько функций. Пленка, служащая прозрачной изоляцией, одновременно обеспечивает подавление конвекции воздуха. Нижняя пленка защищает коллектор от воздействия внешней сре­ды. Обе эти пленки работают на растяжение. В то же время пенопласт, служащий тепловой изоляцией, работа­ет на сжатие.

При рациональном выборе полимерных материалов обеспечивается такая конструкция КСЭ, которая отли­чается высокой эффективностью и хорошими прочностны-

Ми характеристиками при малой массе. КСЭ способен выдерживать силу ветра в 5 м/с и более.

Полимерная пленка предварительно термически де­формируется, благодаря чему она образует элементы, работающие на растяжение. В сочетании с жесткой пено­пластовой теплоизоляцией образуется конструкция КСЭ, подобная конструкции предварительно напряженного крыла самолета.

Селективная поглощательная способность абсорбера зависит от толщины пленки. По сравнению со стеклом полимерная пленка лучше пропускает солнечное излуче­ние.

Совершенствование конструкции КСЭ позволит повы­сить его КПД при сравнительно невысокой равновесной температуре, благодаря чему тепловое напряжение ма­териалов абсорбера уменьшится и значительно снизится стоимость при широком выборе полимеров.

На рис. 84 показана конструкция дешевого жидкост­ного КСЭ, который может применяться в гелиосистемах горячего водоснабжения, отопления, опреснения морской воды и т. п. Коллектор содержит абсорбер с каналами для теплоносителя, отражатель, два слоя полимерной пленки с сеткой между ними, теплоизоляцию, защищен­ную полимерной пленкой. Под коллектор подкладывают старые автопокрышки. Коллектор имеет малую массу, его длина может достигать 50 и 100 м. Он может - достав­ляться в рулонах. На месте рулон разворачивают и го­товый коллектор устанавливают на отведенной площад­ке. Стоимость коллектора весьма низкая, кроме того, он прост в эксплуатации, КПД его может достигать 75 %. При длине секции КСЭ 100 м и расходе воды 3 л/с тем­пература воды повышается на 40 °С при плотности по­глощенного потока солнечной радиации 500 Вт/м2, а па­дение давления составляет всего 5 кПа на 100 м длины.

Дешевые воздушные коллекторы могут быть изготов­лены на месте. В частности, часть крыши здания или его стены может быть использована как абсорбер (метал­лический лист), сверху защищенный стеклом, а снизу омываемый потоком воздуха. Другой вариант воздушно­го солнечного коллектора можно самим изготовить, ис­пользуя недорогие и доступные материалы. Корпус кол­лектора изготовляется из фанеры или тонких досок, на дно ящика укладывается слой теплоизоляции толщиной 50—75 мм (минеральная вата или пенопласт), сверху на
него кладется отражательная пленка (фольга), затем в наклонном положении по диагонали закрепляется ме­таллическая сетка, предварительно окрашенная в черный матовый цвет. На сетку кладут небольшой слой (5— 10 мм) зачерненной стружки черного металла. Подвод холодного воздуха осуществляется через патрубок 6, а отвод нагретого воздуха — через патрубок 7. Сверху коллектор имеет остекление (рис. 85). Нагрев воздуха солнечной энергией осуществляется при его движении через слой стружки на сетке, который поглощает солнеч­ную энергию. Внутренняя поверхность коллектора долж­на быть покрашена матовой черной краской. Необходимо обеспечить герметичность канала, по которому движется воздух.

Рис. 85. Воздушный солнечный коллектор матричного типа:

1 — корпус; 2 — теплоизоляция;

3 — отражательная пленка; 4 — сетка; 5 —стружка; 6 — подводя­щий патрубок; 7 — отводящий па­трубок; 8 — остекление

Изготовление и установка аккумулятора теплоты.

Бак-аккумулятор горячей воды должен изготовляться промышленным способом. Водяной бак-аккумулятоо теплоты может быть изготовлен из листовой стали, асбо­цементного стекловолокна, бетона, а бункер галечного аккумулятора — из бетона или дерева с металлической обшивкой. Следует иметь в виду, что асбоцементный бак выдерживает температуру не выше 80 °С.

Резервуар должен иметь внутреннее защитное по­крытие. Основание аккумулятора может быть выполнено из бетонной плиты или залито при строительстве фунда­мента дома. Толщина тепловой изоляции составляет от 75 до 300 мм.

Трубопроводы и теплообменники для солнечных ус­тановок. Расход воды в солнечных установках может из­меняться от 30 до 100 л/ч на 1 м2 лучепоглощающей по­верхности КСЭ, точнее, 30—40 л/ч для водонагревате­лей с естественной циркуляцией воды, 40—60 л/ч для установок отопления и горячего водоснабжения с ирину -

Дительной циркуляцией, 70—100 л/ч для установок, ис­пользуемых в плавательных бассейнах. При использова­нии антифриза, теплоемкость которого на 20 % ниже, чем воды, расход должен быть больше на 20 %. Скорость теплоносителя в трубопроводах должна быть равной 0,5—1м/с. Диаметр трубопроводов можно определить по полезной мощности коллектора. Так, при КПД коллек - тора 0,5, плотности потока солнечной энергии 800 Вт/м2 и разности температур воды в КСЭ 10 °С расход теплоносителя равен 0,5-800/(1,16-10) =41,3 кг/(м2-ч). При площади поверхности КСЭ 20 м2 и скорости воды 1 м/с площадь поперечного сечения трубопровода соста­вит 41,3*20/(1 -3600-103) =2,29-10—4 м2 и его диаметр бу­дет равенК 4-0,000229/я=0,017 м. Скорость воды в во­донагревателях с естественной циркуляцией равна 0,05—

0, 1 м/с. Тогда при площади КСЭ 10 м2, удельном рас­ходе воды 30 л/ (м2-ч) и скорости 0,1 м/с диаметр труб составит 32,6 мм.

Скорость воздуха в воздуховодах принимается до 3 м/с. Удельная объемная теплоемкость воздуха в 3500 раз меньше, чем воды, и соответственно объемный рас­ход воздуха в КСЭ составит 50—300 м8/ч на 1 м2 пло­щади поверхности КСЭ. Диаметр воздуховодов в 30 раз больше диаметра трубопроводов для воды.

Теплопотери от трубопроводов существенно умень­шаются при применении теплоизоляции. Так, при диа­метре трубы 20 и 48 мм без теплоизоляции теплопотери при разности температур воды и наружного воздуха 40 °С составляют 27 и 57 Вт на 1 м длины трубы, а при применении теплоизоляции с коэффициентом теплопро­водности 0,035 Вт/(м-К) и толщине 40 мм — 5,2 и 7,7 Вт соответственно.

Трубопроводы следует прокладывать по кратчайше­му пути между КСЭ, аккумулятором теплоты и потреби­телем в сухих местах с обязательным применением теп­лоизоляции и обеспечением возможности удлинения.

При разности температур 100 °С удлинение составля­ет для стекла 0,45 мм/м, плексигласа 3,5, поливинилхло­рида 3,8, полиэтилена 10, стали 1,2, меди 1,7, алюминия 2,4 мм/м.

Для передачи теплоты из КСЭ в аккумулятор исполь­зуется теплообменник — это может быть змеевик внутри бака-аккумулятора, или рубашка вокруг его наружной поверхности, или отдельный противоточный теплообмен-

Ник. Коэффициент теплопередачи К составляет 300— 400 Вт/ (м2-°С) для рубашки, 500—900 для гладкотруб­ного змеевика в неподвижной жидкости, 1000—2000 Вт/ /(м2-°С) для противоточного теплообменника, а для воз­душного теплообменника К= 12-г20 Вт/{м2<°С). При средней разности температур теплоносителей 8°С плот­ность передаваемого теплового потока составляет для указанных теплообменников 2,4—3,2; 4—7,2; 8—16 и

0, 096—016 кВт/м2. Для нетеплоизолированного трубо­провода коэффициент теплопотерь составляет 10 Вт/ /(м2-°С).

Теплообменник для передачи теплоты из аккумуля­тора к потребителю обычно имеет большие размеры по сравнению с теплообменником в контуре солнечного кол­лектора, и поэтому в большинстве случаев (кроме не­больших установок) используются отдельные теплооб­менные аппараты противоточного типа.

При использовании воздушных коллекторов для на­грева воды требуется пластинчатый теплообменник типа воздух — вода, в этом случае обязательно применение ребер со стороны воздуха, так как теплообмен там про­исходит весьма неинтенсивно и коэффициент теплопере­дачи от воды к воздуху составляет 10—15 Вт/(м2-°С).

На рис. 86 показана схема солнечной установки ото­пления и горячего водоснабжения с необходимой арма­турой и измерительными приборами. Для удаления воз­духа в верхней точке установлен воздушник В, из ниж­них точек предусмотрен слив жидкости через дренажные вентили Д, на линии горячей воды установлен пре­дохранительный клапан Я, на линии возврата теплоно - носителя в КСЭ имеются запорные краны 3 (до и после насоса Я), расширительный бак РБ и обратный клапан ОК, на линии подачи водопроводной воды устанавлива­ются регулятор давления РД, запорный кран 3, обрат­ный ОК и предохранительный Я клапаны. Включение и выключение насоса происходит автоматически по раз­ности температур в КСЭ и аккумуляторе. На схеме так­же показаны система автоматического управления (САУ), отопительные приборы (ОП), измерительные приборы— манометр М и термометры Т, линии холод­ной (ХВ) и горячей (ГВ) воды.