 | Геліосистеми . Найпростішим і найбільш дешевим способом використання сонячної енергії є нагрівання води в плоских сонячних коллекторах. Принцип дії такого пристрою досить простий: видимі промені сонця, проникаючи крізь скло (проходить зазвичай 80-85%), зустрічаються з чорним дном колектора і в значній мірі поглинаються їм. Дно починає випускати теплові інфрачервоні промені, які не можуть проникнути крізь скло назад назовні; в нижньому напрямку шлях йому перегороджує шар теплоізоляції (рис. 1). Затримане таким чином тепло передається теплоносію, що протікає, як правило, по укладеному на дні колектора змійовик з металевих або полімерних трубок. 
Рис. 1. Пристрій плоского сонячного колектора Порівняно недавно на ринку з'явилися сонячні колектори іншого виду: вони являють собою батарею скляних труб. Всередині кожної з них у вакуумі розташовується подвійна концентрична трубка (мал. 2). По її центральному каналу в конструкцію надходить з розподільчого колектора (він також подвійний, що суміщає функції прямого і зворотного) холодний теплоносій. Повертаючись по середньому каналу, теплоносій отримує «захоплене» (механізм - приблизно такий же, що і в плоскому колекторі) у вакуумній трубці сонячне тепло, і забирає його в систему опалення або гарячого водопостачання об'єкта. Окрім показаного, є колектори на основі вакуумних трубок, де для вловлювання сонячної радіації застосовані контактори з тепловою трубкою пластини, покриті по всій довжині спеціальним шаром напівпровідника. Це дозволяє перетворити в тепло сонячну радіацію максимально широкого діапазону. 
Рис. 2. Принцип роботи колектора з вакуумної трубкою Найпростіша система на основі теплового сонячного колектора - його поєднання з розташованим вище нього баком-акумулятором гарячої води. Завдяки різниці густин гарячої та холодної води в контурі виникає циркуляція. Для забезпечення її надійності використовується спеціальний насос. Такі конструкції досить широко представлені на європейському ринку теплотехнічного обладнання і застосовуються для гарячого водопостачання.
Більш складний варіант передбачає включення колектора в окремий контур. Циркулюючий в ньому теплоносій передає утилізовану сонячну енергію через теплообмінник в теплоізольований бак-акумулятор, що дозволяє «запасати» тепло в сонячний час доби і витрачати його, коли це потрібно. Така система використовується не тільки для ГВП, але і для опалювання. Конструкція бака може передбачати електричний або газовий нагрівач, що автоматично включається, коли енергії Сонця недостатньо.
Досить поширений і, мабуть, найбільш перспективний варіант використання сонячної енергії для теплопостачання індивідуальних будинків та інших невеликих об'єктів - система, що представляє собою комбінацію сонячних колекторів, бака-акумулятора, одного або декількох опалювальних котлів (рис. 3). (Технологічно більш «просунута» схема передбачає ще й тепловий насос.) Таке поєднання забезпечує комфортні умови з найменшими витратами традиційних енергоносіїв. У даному випадку бак-акумулятор з системою вбудованих (звичайно) теплообмінників відіграє роль об'єднавчого і узгоджувальних елементів всієї установки теплопостачання. 
Рис. 3. Комбінована система теплопостачання: 1 - сонячний колектор; 2 - розширювальний бак; 3 - бак-акумулятор; 4 - опалювальний котел Математичне моделювання найпростішої сонячної водонагрівальної установки, проведене в Інституті високих температур РАН, показало, що в реальних кліматичних умовах середньої смуги України доцільно використання сезонних сонячних водонагрівачів, які працюють з березня по вересень. Для установки з відношенням площі сонячного колектора до об'єму бака-акумулятора 2 м2/100 л ймовірність щоденного нагріву води в цей період до температури не менше ніж до 37 ° С складає 50-90%, до температури не менше ніж 45 ° С - 30 -- 70%, до температури не менше ніж 55 ° С - 20-60%. Максимальні значення ймовірності відносяться до літніх місяцях.
Крім сонячних колекторів для нагрівання рідких теплоносіїв розроблені і повітрянагрівальні пристрої, що складаються з прозорої стінки і нагрівального матеріалу, між якими рухається потік сухого повітря як за рахунок природної, так і примусової тяги. Такі колектори можуть використовуватися і для обігріву приміщень, і для сушіння продуктів.
Сучасна концепція енергоефективного і навіть енергонезалежного (за кордоном прижилося поняття «пасивного») будівництва передбачає не тільки тепло-, але й електропостачання від поновлюваних джерел. Перетворення сонячної енергії в електричну здійснюється в колекторах на основі фотоелектричних перетворювачів (ФЕП), що підрозділяється на два основних види: електровакуумні й напівпровідникові (мал. 4); останні є найбільш ефективними. Перетворення енергії в ФЕП засновано на ефекті, що виникає у неоднорідних напівпровідникових структурах при впливі на них сонячного випромінювання. Коефіцієнт перетворення світла сонячних елементів в земних умовах досягає 22%. Напруга сонячних батарей досягає десятків вольт, а потужність - десятків кіловат. На українському ринку є модулі ФЕП як закордонного, так і вітчизняного виробництва, що виготовляються на основі монокристалічного кремнію в алюмінієвій рамці з ККД перетворення світла 15-18% і пікової потужністю 2,8-120 Вт Всі вони мають освітлене скляне покриття і генерують постійний струм. Енергія може використовуватися як безпосередньо, так і перетворюючись в змінний струм напругою 220 В. Варто сказати, що фотоелектричні перетворювачі використовуються і для створення досить потужних (до 10 МВт) електростанцій. 
Рис. 4. Фотоелектричний сонячний модуль В даний час «сонячне» обладнання - повноправний товар теплотехнічного ринку Європи. Теплові та електричні колектори, баки-акумулятори, комбіновані водонагрівачі, спеціальні циркуляційні насоси і автоматика для геліосистем не перший рік входять до каталогів провідних виробників опалювальної техніки. Європейськими лідерами сезону в цій області були наступні компанії: Solvis, Ritter-Paradigma, Wagner / Co..lbe, Viessmann, Nau, ELCO-Klo .. kner, Buderus, Ikarus, Stiebel Eltron, Junkers, Wolf, Solatherm, Vaillant.
Крім перерахованих установок, відомі різні види пасивних геліосистем. До них належать, наприклад, теплиці (оранжереї) і різні «сонячні пастки», роль яких виконують конструктивні елементи будов. Природно, потужність таких систем невелика. Їх ефективність досягається правильним застосуванням теплоізоляції, збільшенням площі прозорих поверхонь та орієнтацією перпендикулярно до сонячних променів (вони повинні бути звернені на південь при куті нахилу до горизонту, що дорівнює широті місцевості). Підвищення прозорості покриттів і зменшення поглинання променів також призводять до збільшення ефективності обігріву. В даний час для більш ефективного вирощування рослин у теплицях розроблені прозорі матеріали, що трансформують сонячне світло в промені, що стимулюють ріст рослин.
Для стабілізації температурного режиму в геліотеплицах використовуються грунтові акумулятори тепла, наявні під грядками і обігріваються теплим повітрям або водою. У ряді випадків в якості акумулятора використовують житловий будинок. Такі оранжереї називається прибудованими; вони розташовуються з південного боку будинку (рис. 5). У цьому випадку між будинком і оранжереєю відбувається процес перерозподілу тепла. У сонячну погоду оранжерея з прозорою стінкою працює як сонячний колектор і нагріває повітряні маси, які, проникаючи в будинок, передають йому тепло. Під час відсутності сонячного освітлення, при опаленні будинку іншими способами, повітряні маси потрапляють в оранжерею і обігрівають її. 
Рис. 5. Приклад будинку з пасивною геліосистема у вигляді прибудованій оранжереї Цей приклад ілюструє висунення на важливе місце в проблемах використання енергії Сонця питань архітектури: через вікна, які грають роль «сонячних пасток», в ясну погоду в будівлі може проникати значна кількість сонячної енергії.
Цікаво відзначити, що, хоча тривалість світлового дня влітку більше, ніж взимку, кількість годин можливого освітлення Сонцем вікна, що виходить на південь, взимку більше, ніж влітку. Це викликано тим, що вона значний час світлового дня знаходиться на східній і західній сторонах. Проектування будинків, які здатні вловлювати сонячну радіацію для обігріву будинку і зберігати тепло, призводить до економії енергії, затрачуваної на опалення.
Якщо в холодну пору сонячне випромінювання - підмога в економії енергії на опалення, то в жарку пору - це негативне явище, здатне обернутися витратами на вентиляцію і кондиціонування. Проблема вирішується застосуванням тепловідбивний і теплопоглинальні стекол, а також різних систем затемнення. Всім відомі очки-«хамелеони», скла яких темніють із збільшенням освітленості. Такі скла регулюють проникнення сонячного світла в будинку. Як приклад їх використання можна привести будівлю ООН у Нью-Йорку. Для затемнення звичайно застосовують непрозорі матеріали. Розміщення їх між склом вікна не так ефективно, як зовнішній, але більш ефективно, ніж внутрішнє. Цікава розробка - автоматично регульовані жалюзі фірми Zomeworks Inc. (США). Їх дія заснована на різниці тиску в двох сполучених резервуарах, наповнених фреоном і розташованих по обидва боки вікна. Коли одна з ємностей нагрівається сильніше, фреон перетікає від неї до іншої і розгортає жалюзі в потрібному напрямку. Крім затемнення, використовується система, що передбачає природне охолодження будови прохолодним повітрям, що надходить в організм з тіньової сторони через підземну систему охолодження. Одночасно повітря, нагріте Сонцем, створює тягу і через систему заслінок захоплює назовні повітря з внутрішнього приміщення.
Окрім низькотемпературних систем, що використовують сонячну радіацію природної щільності (вони, на думку фахівців, найбільш ефективні), створені людством і застосовуються в різних галузях і установки, де для досягнення високих температур щільність випромінювання підвищується в сотні і тисячі разів. Воно здійснюється геліоконцентраторамі, що включають дзеркала або лінзи, фокусують сонячні промені. Так, концентратори застосовуються в сонячних печах для плавки і термічної обробки в особливо чистих умовах при температурі 2300-3000 ° С деяких матеріалів, наприклад, оксидів кремнію і цирконію. Одна з найбільших таких печей, потужністю понад 1 МВт, була побудована на початку 1970-х рр.. в Фон-Ромі-Одейо (Франція). Концентрація сонячних променів виробляється і для отримання високих температур в термодинамічних сонячних електростанціях.
Пропонуємо саморобну геліосистему водонагрівача. Основним принципом при проектуванні був «зроби сам»: всі складові елементи водонагрівача повинні бути доступні для виготовлення своїми силами і з таких напівфабрикатів або сировини, матеріалів, які можна придбати у відкритому продажу або підібрати з металобрухту. 
Рис.6. Гідравлічна схема сонячного водонагрівача: 1. сонячний колектор
2. гаряча труба сонячного колектора
3. забірна труба для виходу гарячої води з накопичувача
4. дренажна труба аванкамери
5. дренажна труба накопичувача
6. поплавковий клапан аванкамери
7. аванкамера
8. труба підведення холодної води до аванкамери
9. трубопровід підживлення накопичувача
10. водопровідне введення
11. підведення холодної води до змішувачів
12. підведення гарячої води до змішувачів
13. холодна труба сонячного колектора
Отже, трохи про пристрій сонячного водонагрівача і про принцип його роботи Рис.6.
Колектор - це трубчастий радіатор, укладений в короб, одна із сторін якого засклена. Радіатор зварений із сталевих труб, причому для підводить і відвідної використовуються водопровідні труби на 1 або на 3 / 4 дюйма, а для грати краще використовувати тонкостінні труби меншого діаметра - наприклад, труба O16X1, 5 мм. Всього для однієї грати потрібно 15 таких труб довжиною близько 1600 мм.
Короб колектора - дерев'яний, зібраний з дощок товщиною 25 ... 30 мм і шириною 120 мм. Днище короба - з фанери або ж оргалита, воно посилено рейками перетином 30X50 мм. Короб ретельно теплоізолюється; зробити це можна за допомогою пакувального або будівельного пінопласту: він лягає на дно, поверх нього закріплюється лист білої жерсті або оцинкованого покрівельного заліза, і зверху укладається радіатор. Закріплюється радіатор в коробі хомутами із сталевої смуги.
Труби радіатора і металевий лист на дні короба фарбуються чорною матовою фарбою. Покривні скло бажано герметизувати, з тим, щоб втрати тепла за рахунок конвекції були мінімальними. Із зовнішнього боку короб бажано забарвити сріблянкою, з тим щоб зменшити втрати на тепловипромінювання.
Всі з'єднання - як зварні, так і різьбові - повинні бути строго герметичними. З'єднання труб - стандартне, за допомогою муфт, трійників і куточків з герметизацією пеньком і фарбою.
Накопичувачем теплоносія може служити бак ємністю 200-300 літрів. В принципі для цієї мети годиться і будь-яка відповідна бочка. Якщо неможливо підібрати ємність потрібної місткості, використовуйте дві-три, з'єднавши їх за допомогою труб в єдину систему. Накопичувач також бажано теплоізолювати. Ідеальним варіантом буде розміщення ємності (або ємностей) в дощаному або ж фанерному коробі із заповненням межстеночного простору будь-яким теплоізолятором - будівельним пінопластом, шлаковатою, сухими тирсою або навіть рубаною соломою або сіном. З тією ж метою саму бочку (чи бочки) бажано забарвити зсередини і зовні сріблянкою. Нею ж слід пофарбувати короб і зовні.
Аванкамера призначена для створення в гідросистемі постійного, не надто високого тиску - 800 ... 1000 мм водяного стовпа. Якщо провести аналогію з системою охолодження автомобіля, то можна сказати, що аванкамера відіграє тут роль експанзомата. Виготовити її можна з будь-якого відповідного посудини місткістю 30-40 літрів, наприклад, великого бідони або навіть алюмінієвої каструлі тієї ж місткості. Аванкамера оснащується подпітуючим пристроєм, що дозволяє їй працювати в автоматичному режимі. Його основа - поплавковий клапан, який застосовується в побуті для зливних бачків: його можна придбати в магазинах сантехнічних виробів.
Збірка сонячного водогрійного пристрою починається з розміщення на горищі будинку накопичувача в теплоізолюючої коробі і аванкамере. Маса заповненого водою накопичувача виходить значною, тому варто переконатися, що перекриття стелі в обраному місці достатньо міцні і витримають вагу масивного бака.
Аванкамера розміщується поблизу від накопичувача таким чином, щоб рівень води в ній перевищував рівень води у накопичувачі на 0,8-1 м.
Сонячні колектори розташовуються з південного боку будинку під кутом від 35 до 45 ° до горизонту. Розміщувати їх краще за все так, щоб ці панелі стали природною покрівлею будинку або невеликий веранди.
|  |
