До ХІХ века использование солнца для нужд горячего водоснабжения не находило обширного применения. Это происходило, в основном, вследствие того, что до этого времени система водопровода не имела широкого распространения.
В девятнадцатом столетии не существовало простых и комфортных методов нагрева воды. Наиболее распространенным методом было использование обычных дровяных варочных плит. Древесину либо использовали непосредственно в виде дров, либо выпаливали в древесный уголь. В городах, для нагрева воды, часто использовали так называемый “светильный газ”, получаемый при сухой перегонке угля на газовых заводах (рис. 7). Светильный газ находил свое применение, как следует из его названия, в домашнем и промышленном хозяйстве, для освещения (известные газовые светильники), а также для получения механической энергии с помощью газовых моторов.
рис. 7. (A) Устройство завода по производству светильного газа. Уголь или дрова помещаются в реторту (a) – герметическую металлическую емкость с газоотводной трубкой. Реторта нагревается с помощью печи. Под действием высокой температуры, без доступа кислорода воздуха, происходит сухая перегонка угля. Выделяющийся «светильный газ» по газоотводной трубке отводится с помощью дымососа (b) в газгольдер (f), предварительно подвергаясь очистке (c,d) и охлаждению (e).
рис. 7. (Б) Бойлер на светильном газу.
Все вышеперечисленные методы были связаны с такими неудобствами как: нестабильность пламени, опасность перегрева бойлера и его взрыва, характерной грязи и копоти. Ко всему, использование дров, древесного угля или светильного газа было весьма затратным, а простые рабочие зарабатывали в те времена очень немного. Таким образом, многие “независимые” люди с творческим подходом, умеющие держать в руках инструмент, находили для себя более безопасное, простое и дешевое решение проблемы нагрева воды в том, что размещали на солнце металлический водяной бак, окрашенный в черный цвет. Это были первые, описанные в истории, жидкостные водонагреватили. Недостатком таких водонагревателей было только то, что даже в жаркий ясный день нагрев воды, до достаточной температуры, занимал с утра и до полудня. А с заходом солнца вода в баке очень быстро остывала, поскольку не было предусмотрено никакой теплоизоляции
Первые коммерческие солнечные водонагреватели
Первый, коммерчески успешный, солнечный водонагреватель, представляющий собой 25 галлонный цилиндрический водяной бак, окрашенный в черный цвет и размещенный внутри “солнечного ящика” деСоссюра (рис. 8), запатентован К. Кемпом (Clarence Kemp) и поступил в продажу в 1891 году под названием Climax Solar Water Heater. Этот водонагреватель был очень популярен в ЛосАнджелесе и в целом в Калифорнии (http://www.sunnyhotwater.com).
рис. 8. Рекламная брошюра солнечного водонагревателя Кемпа Climax Solar Water Heater.
Кемп в качестве целевой аудитории своего изобретения рассматривал южноамериканских джентльменов, чьи жены с прислугой уезжали на летний отдых, оставляя своих мужей на самообеспечение. Солнечный водонагреватель, при этом, был достаточно прост в обращении (по крайней мере в сравнении с растопкой дровяного либо газового бойлера) для мужчин, в отсутствие жены и домашнего обслуживающего персонала (http://www.californiasolarcenter.org).
В дальнейшем данная конструкция претерпела ряд усовершенствований. Так, в 1904 году, Чарльз Хаскель (Charles Haskell), выкупил права у Кемпа и улучшил продуктивность водонагревателя за счет увеличения площади остекленения, с одновременным уменьшением объема водяного бака. Это привело к более быстрому нагреву воды утром и в дни с переменной облачностью. Кроме того “Improved Climax” представлял собой плоский квадратный ящик, в отличие от цилиндрической емкости традиционного “Climax” (The Integral Passive Solar Water Heater Book/ David A. Bainbridge).
Затем, в 1909 году, Уильям Дж. Бэили (William J. Bailey) запатентовал солнечный водонагреватель, который произвел революцию на рынке. Он разделил солнечный водонагреватель, представляющий до этого времени единый объект, на две части: нагревающий элемент, размещаемый на солнце и теплоизолированный бак аккумулятор, расположенный внутри здания (рис. 9).
рис. 9. Солнечный водонагреватель День и Ночь Уильяма Бэили.
Благодаря нововведению, пользователи получили возможность использовать нагретую солнцем воду не только днем, но и ночью. Нагревающий элемент состоял из труб, припаянных к окрашенному черным листу металла и расположенному в застекленном ящике. Поскольку вода в нагревателе находилась в сети труб, имеющих значительно меньший объем нежели бак, Бэили удалось еще больше уменьшить (нежели до него Хаскелю) количество воды, находящейся под воздействием солнечных лучей и, таким образом, нагрев воды происходил еще более быстро.
Поскольку благодаря отдельно стоящему, теплоизолированному, водяному баку данный водонагреватель позволял использовать нагретую воду больший период, – Бэили назвал его День и Ночь (Day and Night) (http://www.sunnyhotwater.com). Собственно в таком виде, с небольшими улучшениями и дополнениями, солнечные водонагреватели (коллекторы) дошли до наших дней.
Современные солнечные водонагреватели
На данный момент только в одной Германии расположено и эксплуатируется около двух миллионов солнечных водогрейных систем, возраст которых превышает 25 лет.
Домашние солнечные системы горячего водоснабжения и резервного центрального отопления (рис. 10) позволяют в год экономить более 35% коммунальных расходов. Будет интересным узнать, что каждый год, количество энергии, приносимой на поверхность земли в Центральной Европе с солнечной радиацией, достигает 1000 кВт*ч на каждый квадратный метр. Это соответствует 100 литрам жидких нефтяных топлив. Таким образом, использование современных солнечных коллекторов позволяет использовать эту энергию для производства тепла с очень высоким коэффициентом преобразования. Солнечные теплогенерирующие системы являются идеальным дополнением для любой системы отопления и позволяют существенно снизить энергозатраты. Тепло может использоваться как для нужд горячего водоснабжения (характерно для холодного климата), так и для частичного ассистирования традиционной системе отопления (характерно для климата большинства стран Западной Европы).
Рис. 10 Солнечные теплогенерирующие системы используемые для нужд горячего водоснабжения (вверху), а также отопления (внизу).
В Западной Европе существует тезис, что при проектировании новых систем отопления необходимо в них закладывать систему солнечной теплогенерации. Это позволяет самостоятельно покрывать незкие энергозатраты (в демисезонный период), а также значительно снизить плату за ежемесячное энергопотребление. Более того, установка солнечных тепловых коллектроров на крыше здания свидетельствует о том, что его владелец заботится о защите от климатических изменений, вызванных глобальным потеплением вследствие увеличения содержания парниковых газов (в том числе углекислого газа) в атмосфере за счет сжигания ископаемых топлив. Для удовлетворения потребности следовать экологической тенденции у растущего количества жителей планеты, которых беспокоит будущее жизни на Земле, множество мировых high-tech разработчиков и производителей по всему миру разрабатывает и внедряет современные материалы и технологии в области солнечного теплогенерирования.
Инженерами ведущих фирм разработаны интеллектуальные системы энергетического менеджмента, позволяющие эффективно вписывать солнечные теплогенерирующие системы в существующие или проектируемые системы отопления с различными резервными источниками тепла (рис. 11). Более того, использование специальных высокоселективных покрытий, позволяющих улавливать и преобразовывать в тепло энергию солнечного света, за последнее время эффективность солнечных водогрейных систем значительно увеличена. Разработано множество принципиальных схем и устройств менеджмента, позволяющих использовать такие системы максимально эффективно и решать практически любые технические задачи во многих условиях, которые может поставить заказчик.
Разработаны сложные системы накопления энергии — баки аккумуляторы, с продвинутыми системами автоматической запорной арматуры, позволяющие использовать накопленное тепло максимально эффективно, а также объединять источники периодического действия (солнечные панели, твердотопливные котлы) в непрерывно функционирующую систему (рис. 11).
рис. 11 Современная система отопления объединяющая солнечную и дровяную теплогенерирующую системы (а) и бак теплоаккумулятор (б).
А применение современных информационных технологий и систем коммуникации позволяют пользователю «держать руку на пульсе» своей энергетической системы (рис. 12).
рис. 12. Использование современных систем коммуникации и менеджмента позволяют эффективно управлять как домашней, так и коммерческой системой солнечной теплогенерации.
Типы современных солнечных систем
Различные компоновки и технологические приемы позволяют приспособить современные солнечные водяные коллекторы к различным условиям климата и эксплуатации. Впрочем, существует две основных классификации данных систем, различные сочетания между которыми позволяют решать различные задачи:
1.1. Пассивные и активные системы:
- Пассивная система солнечного водонагревателя основана на эффекте естественной циркуляции теплоносителя. При этом перемещения воды из бака-накопителя в коллектор, для нагрева и нагретой воды обратно – в вышерасположенный бак-накопитель, происходит благодаря тому, что горячая вода легче холодной. За счет разницы плотностей и происходит транспорт жидкости в системе – естественная циркуляция теплоносителя. Такие системы не требуют установки насосов или других механических устройств. Их простота обеспечивает высокую надежность, низкую материалоемкость и низкую себестоимость. Однако такие водонагреватели имеют несколько меньшую эффективность.
- Активная система – напротив подразумевает использование насоса (насосов) и, соответственно, системы управления (и мониторинга) для циркуляции жидкости в системе. Благодаря чему несколько увеличивается эффективность, однако система усложняется, снижается ее надежность и повышается стоимость и материалоемкость.
1.2. Системы с открытым и закрытым контуром:
- В системах с открытым контуром (рис. 13а) через коллектор пропускается непосредственно нагреваемая бытовая вода. Такие системы ограничены в использовании в холодном климате, поскольку существует опасность замерзания воды в коллекторе. Впрочем, во избежание замерзания воды применяют технологию слива воды (drainback), которая подразумевает слив воды из коллектора в бак накопитель при снижении температуры (заход солнца), что происходит автоматически с отключением наноса. Также в таких системах желательно использовать исключительно мягкую воду, поскольку жесткая вода вызовет отложение нерастворимых солей в трубопроводе коллектора и системы.
- В системах с закрытым контуром (рис. 13б) через коллектор циркулирует специальный антифриз, находящийся в закрытом контуре под давлением, который передает тепло нагреваемой воде через теплообменник, находящийся в баке-аккумуляторе. В таких системах главное – не допускать смешения антифриза (часто токсичного, содержащего ингибиторы коррозии и другие добавки) с домашней, питьевой водой. Такие системы дают большие возможности для разнообразия монтажа, однако являются более сложными, дорогими и менее эффективными (присутствует лишний этап теплопередачи в теплообменнике, что приводит к дополнительным потерям) решением нежели система с открытым контуром. Существует пять самых распространенных комбинаций этих четырех типов систем: интегрированный с коллектором бак-накопитель, термосифон, система с открытым контуром, система с закрытым контуром, система со сливом воды (drainback).
(а)
(б)
рис. 13. Водяные солнечные водонагреватели с открытым (а) и закрытым (б) контуром.
В последнее время, определённое распространение получили так называемые вакуумные солнечные коллекторы. В таких коллекторах плоская металлическая пластина, с высокоселективным покрытием, припаянная к индивидуальной тепловой трубке с теплоносителем, размещается в герметичной вакуумированной стеклянной колбе. Как известно, вакуум – худший проводник тепла, благодаря чему достигается максимальное снижение тепловых потерь коллектором в окружающую среду. Индивидуальные вакуумные трубки подсоединяются к баку аккумулятору образуя коллектор (рис. 14). Следует отметить, что данные трубки имеют меньшую эффективность (КПД, что связано с наличием дополнительного акта теплопереноса <тепловая трубка/основной теплоноситель>) нежели обычные, плоские, солнечные коллекторы (60-65% против 72-75, в стандартных «лабораторных» условиях). Другим существенным недостатком таких коллекторов является отсутствие эффекта самооттаивания на солнце, что приводит к необходимости производить их отчистку от снега вручную.
Преимущество данных коллекторов проявляется при недостаточном или рассеянном солнечном освещении (при отклонении условий солнечной инсоляции от стандартных) и низкой температуре окружающей среды — в пасмурные зимние дни, когда за счет повышенной теплоизолированности коллектор имеет возможность усвоить скудную солнечную энергию без потерь (при этом обычный коллектор, даже если он нагревается, сразу теряет полученное тепло в окружающую среду).
рис. 14. Устройство тепловой трубки солнечного водяного коллектора с вакуумными трубками.
Необходимо отметить, что современные солнечные теплогенерирующие системы имеют настолько совершенный дизайн, что позволяют архитекторам не только успешно вписывать их в существующие архитектурные ансамбли, но и создавать на их основе настоящие арт – объекты (см. рис. 15)
рис. 15. Современная солнечная инсталляция.
