Применение солнечной энергии

ПЛАВАТЕЛЬНЫЕ БАССЕЙНЫ И ДРУГИЕ ПРИМЕНЕНИЯ. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТРОЙСТВ

Закрытый коллектор. Хотя в странах, расположенных на высоких широтах, как, например, в Великобритании, простой, обеспечивающий небольшое повышение темпе­ратуры, закрытый коллектор обычно может использо­ваться только в летние месяцы, он работает в этот пери­

од с высокой эффективностью и экономически весьма выгоден. Капитальные затраты на такие установки, включая трудозатраты, окупаются менее чем за три года, в чем можно убедиться, сопоставив эти затраты с ожидаемой экономией энергии от обычных энергоисточ­ников. Конструкция закрытого коллектора, который ис­пытывался более 8 лет, показана на рис. 8.1. Коллектор не нуждается в остеклении или других прозрачных по­крытиях, поскольку повышение температуры в нем под­держивается на возможно более низком уровне. Если па­нели такого коллектора установлены в достаточно хоро­шо защищенном месте, то они будут работать по край­ней мере не хуже остекленных панелей, потому что при прохождении через любое прозрачное покрытие всегда теряется около 10% падающей солнечной радиации. Не требуется также теплоизоляция днища и боковых стенок, поскольку температура панели обычно близка к темпера­туре окружающего воздуха и тепловые потери пренебре­жимо малы. Такие коллекторы называются закрытыми, так как нагреваемая вода течет под теплопоглощающим материалом и не испаряется.

Конструкция. Основным конструктивным элементом панели является опорный лист с плоской поверхностью, например лист фанеры, желательно водостойкой, стан - I дартные размеры которого 2,44x1,22 м. Наиболее важ­ной особенностью, свойственной всем низкотемператур­ным коллекторам, является наличие тонкой матово-чер - ' ной тепловоспринимающей поверхности, которая способ­на поглощать почти всю падающую солнечную радиа­цию. Весьма подходящим для этой цели материалом оказался бутил, который был применен автором в 1968 г. [1, 2] на первых низкотемпературных панелях и в 1978 г. не обнаружил признаков разрушения. Этот лист с чер­ной поверхностью помещается над вторым, распределяю­щим поток воды листом, так что нагреваемая вода под действием силы тяжести может течь в виде тонкого слоя между двумя листами.

Существуют различные способы создания тонкой рав­номерно распределенной пленки воды на наклонной по­верхности. Удачным оказалось изготовление второго ли­ста из выпускаемого промышленностью полиэтиленового упаковочного материала, получившего название «эррэп». Он представляет собой однородную структуру, в которой равномерно распределены цилиндрические воздушные no­li* IF' ,

лости. Главным недостатком этого материала является его плохая стойкость под действием ультрафиолетового излучения, вследствие чего срок его службы весьма не­велик, если он не защищен от прямого воздействия сол­нечной радиации. Однако закрытый бутиловым листом этот материал также прослужил более восьми лет. В этой схеме вода поступает в верхнюю часть коллектора из перфорированной трубы малого диаметра. Наименьший диаметр трубы должен составлять 15 мм, а диаметр от­верстий по крайней мере 2 мм при расстоянии между от­верстиями 10—15 мм. Эти размеры являются ориентиро­вочными; перед окончательной сборкой панели нетрудно испытать трубу и проверить, создает ли она равномер­ный поток воды. Последовательное соединение несколь­ких панелей может оказаться не вполне удовлетворитель­ным, поскольку давления и расход в системе могут при­вести к тому, что в последующие панели будет посту­пать постепенно уменьшающееся количество воды. Этого можно избежать либо с помощью разветвленной систе­мы, обеспечивающей подвод воды с обоих концов пер­форированной трубы каждой панели, либо увеличением сечения потока в панелях с недостаточным количеством воды путем увеличения числа отверстий или их диамет­ра. Нагретая вода возвращается в бассейн под действи­ем гравитационных сил; поэтому выход из панелей должен быть выше поверхности бассейна. Пластмассо­вые водосточные желоба прекрасно обеспечивают воз­врат воды в бассейн, а потери на испарение пренебрежи­мо малы. Легко также проверить, достаточен ли наклон сточных желобов от нижней части панелей к бассейну для пропуска потока.

Перечень материалов для изготовления коллектора:

плоская опорная панель — для работы в атмосферных условиях достаточна толщина 9,52 мм (длина L, шири­на W);

лист бутила;

лист упаковочного материала «эррэп»;

питающая труба — пригодна пластмассовая труба диаметром 15 мм, длина которой должна быть достаточ­на для соединения с трубами соседних панелей;

пластмассовый водосточный желоб для обратного стока воды в бассейн. Его длина должна быть достаточ­на для соединения с желобами соседних панелей и от­вода воды в бассейн;

два опорных конструктивных элемента длиной L и три или четыре длиной W. Поперечное сечение этих эле­ментов может быть практически любым, но достаточным для обеспечения жесткости конструкции;

прижимные планки длиной L в основном для уплот­нения краев панели;

опорная конструкция для всей панели; запорный вентиль и соответствующие гибкие трубы для соединения с входными патрубками панелей.

В качестве длины L и ширины W можно выбрать номинальные размеры стандартного фанерного листа 2,44X1,22 м.

Краткое описание конструкции. Полиэтиленовый ма­териал «эррэп» натягивается на фанеру, причем его ци­линдрические полости располагаются в продольном на­правлении; отогнутые вниз концы листа закрепляются

/ — прижимная планка; 2 — лист бутила;
3 —лист материала эррэп; 4 — водонепро-
ницаемый лист толщиной 9,52 мм; 5 —
опорный конструктивный элемент.

несколькими кнопками. Сверху укладывается лист бути­ла, который прижимается планками к опорным эле­ментам, как показано на рис. 8.2. После сборки основ­ных элементов конструкции устанавливается перфориро­ванная труба. На этом этапе монтажа полезно испытать трубу, прежде чем закрыть ее бутиловым листом. Тру­ба. должна равномерно распределять поток воды. Воз­вратный желоб устанавливается в последнюю очередь, после монтажа панели на месте, поскольку необходимо обеспечить небольшой его уклон в сторону бассейна.

Расход теплоносителя. Для снижения тепловых потерь повышение температуры в коллекторе должно быть воз­можно более низким. Один литр воды нагретой от 15 до 55°С, получает лишь 1/10 часть ю"*' /щства тепла, кото­рое передается 400 л воды, на. ж - ёмой с 15 до 16°С, хотя в первом случае легче убедиться, что вода нагрета. Поэтому расход должен составлять по меньшей мере 150 л/(м2-ч). Важно, чтобы панель коллектора не

была перекошена, а питающая труба была горизон­тальна.

Если эти условия не выполнены, вода будет стекать по одной стороне панели, что значительно ухудшит об­щий КПД системы, поскольку поглощенное солнечное излучение может эффективно передаваться воде только в том случае, когда она непосредственно соприкасается с поверхностью бутилового листа. Специальный насос обычно не нужен, поскольку коллекторы могут быть при­соединены с помощью тройника к обратному трубопро­воду существующей системы очистки.

Расположение и ориентация. Угол наклона и ориента­ция панели не имеют решающего значения. Для север­ного полушария идеальной является южная ориента­ция, но отклонение от этого направления на несколько градусов в ту или другую сторону окажет очень малое влияние. Непосредственно для летнего периода опти­мальный наклон панели к горизонту составляет вероятно 40° или меньше. Можно осуществить полное математи­ческое моделирование с целью определения оптимально­го угла наклона в различное время года; однако неред­ко более важную роль играют местные факторы, напри­мер наличие высоких деревьев или зданий, затеняющих коллектор. Во многих случаях предпочтительно устанав­ливать коллекторы на крышах существующих зданий; такое расположение, кроме того, является наиболее удач­ным в эстетическом отношении. Здравый смысл не по­зволит расположить коллекторы в неподходящих и, прежде всего, затененных местах; тем не менее целесо­образно все площадки для установки коллекторов про­верять с точки зрения затенения в течение всего дня в начале рабочего сезона.

Размеры, характеристики и экономические показате­ли. Сначала целесообразно рассмотреть отношение пло­щади коллекторов к площади .поверхности бассейна. Это отношение использовалось в работах [3, 4] для оценки вероятного повышения температуры в бассейне в тече­ние дня при различных метеорологических условиях. Для повышения температуры примерно на 5°С в хоро­ший летний день в умеренном климате отношение пло­щади коллектора к площади бассейна предлагалось при­нимать равным приблизительно 1,5:1. Однако устойчи­вое повышение температуры воды в бассейне в течение нискольких недель в начале сезона может быть достиг - 166

нуто даже при таком низком отношении, как 0,25:1. Это связано с тем, что почва вокруг бассейна нагревается за счет теплопритока от воды, имеющей более высокую температуру, и это способствует поддержанию в бассей­не благоприятной температуры в течение нескольких облачных дней подряд. Даже если площадь солнечного коллектора составляет всего 1/10 части площади поверх­ности бассейна, количество тепла, полученного за один хороший день, может быть достаточно для дополнитель­ного повышения температуры воды примерно на 0,5°С. Испытания, проведенные в течение плавательного сезо­на 1975 г. в одной из школ графства Суссекс, где были установлены панели конструкции автора, показали весьма значительную экономию по сравнению с преды­дущим сезоном. В 1974 г. при электрообогреве бассейна плавательный сезон продолжался с конца мая до начала сентября, причем было израсходовано 48 885 кВт-ч электроэнергии [5]. В 1975 г. при комбинированном ис­пользовании электрообогрева и солнечного тепла плава­тельный сезон продолжался с середины мая по октябрь, а потребление электроэнергии снизилось до 14 232 кВт-ч. Средняя температура воды в бассейне составляла 23— 29°С. Эти цифры следовало бы сопоставить с приходом солнечного излучения за рассматриваемый период вре­мени. Однако разумно предположить, что за сезон

1975 г. выработка тепла коллекторами составила около 500 кВт-ч/м2, а остальное тепло подводилось за счет излучения, падающего непосредственно на поверхность бассейна.

Затраты на материалы, включая бутиловый лист,

! упаковочный материал «эррэп» и деревянную раму кол­лектора, составляют менее 10 фунт. ст. (по курсу

1976 г.) и могут окупиться в течение двух лет за счет снижения затрат на обогрев бассейна традиционными методами.

Открытая система. При обращенной на юг (в север­ном полушарии) рифленой кровле, например, из оцин­кованного железа перфорированную трубу можно распо­ложить вдоль конька крыши и подавать в нее насосом воду из бассейна, с тем чтобы она стекала вниз по же­лобкам. Поскольку в таких системах поток воды не изолирован от атмосферы, то неизбежны тепловые поте­ри на испарение, в результате чего полная эффектив­ность будет составлять, вероятно, всего лишь 2/3 эффек­

тивности закрытой системы. Отверстия в перфорирован­ной трубе должны быть расположены напротив кана­вок рифленого листа, а их минимальный диаметр дол­жен составлять примерно 5 мм при расстоянии между отверстиями по меньшей мере 75 мм. Расход воды, как и в случае закрытой системы, должен обеспечивать не­значительное повышение температуры. Можно повысить эффективность такой системы, натянув над рифленой по­верхностью прозрачный пластик, например пленку «тедлар» (фтористый поливинил) типа 400 BG20TR, вы­пускаемую фирмой «Дюпон»; в этом случае система превращается в коллектор типа Томасона. Можно ис­пользовать и обычные рифленые прозрачные пластмас­совые листы, устанавливаемые на открытом воздухе.

В графстве Суссекс была успешно испытана другая система открытого типа, представляющая собой боль­шую плоскую черную бетонную поверхность ступенча­той формы. Вода из бассейна подается насосом на верх­нюю ступень, откуда медленно стекает по черным бетон­ным уступам в бассейн. Эта весьма простая конструк­ция, которую легко реализовать на практике, позволяет получить довольно высокое отношение площади коллек­тора к площади бассейна. Единственная трудность при сооружении системы связана с получением равномерной тонкой пленки воды по всей поверхности. Решению этой задачи способствует укладка на верхней ступени кас­када длинной гибкой перфорированной трубы.

Регулирование. Для таких низкотемпературных си­стем по существу не нужны чувствительные двухпози­ционные дифференциальные терморегуляторы. Практи­ка показала, что вполне достаточно управлять систе­мой вручную, подавая воду в панели примерно с 8 до 18 ч ежедневно, за исключением очень облачных или ненастных дней. Если используется дифференциальный терморегулятор, то должно предусматриваться некото­рое запаздывание во времени, чтобы избежать постоян­ного включения и выключения системы в условиях пе­ременной облачности.

Бассейны с плавающим покрытием. Прежде чем при­ступить к сооружению системы солнечного нагрева, значительно проще и гораздо более экономично закры­вать бассейн сверху, чтобы снизить влияние основного источника тепловых потерь — испарения. Проще всего воспользоваться каким-либо плавающим покрытием. Эф - 168

фєктивной будет тонкая черная полиэтиленовая пленка. Ее нетрудно закрепить по краям бассейна и нужно лишь предусмотреть небольшие отверстия для стока дождевой воды, расположенные с интервалом около 0,3 м. Выпу­скаемые промышленностью плавающие покрытия бас­сейнов часто делают из двух синих поливинилхлоридных кленок, разделенных пенополиуретановыми планками. При накрывании бассейна вода в нем охлаждается за ночь примерно на 1°С, в то время как в открытых бас­сейнах температура падает более чем на 2°С. Разница в один градус кажется очень малой, но даже для неболь­шого бассейна объемом (90 м3) она эквивалентна более 100 кВт-ч электроэнергии.