Гелиоэнергетика: солнечный водонагреватель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Институт электронного обучения

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Реферат по дисциплине: «Введение в инженерную деятельность»

Тема: «Гелиоэнергетика: солнечный водонагреватель»

Содержание

Введение

1. Солнечный водонагреватель

2. Виды и принцип действия ветроэлектрических установок

3. Область и особенности применения

4. Основные достоинства и недостатки технологии

5. Перспективы дальнейшего использования технологии

Заключение

Литература

Введение

Убедиться в огромном количестве энергии, которую получает земная поверхность от нашей ближайшей звезды - Солнца - каждый имел возможность еще в детстве, с помощью обычной лупы. Энергия солнечного света, приходящаяся на крошечный участок поверхности, равны площади линзы, будучи собранной в одной точке (фокусе) способна прожечь тонкую фанеру, поджечь бумагу или сухой трут, помогая развести костер. И, наверняка, многие задумывались о возможностях использования солнца для отопления. Возможностей непосредственного использования солнечной энергии несколько, и одну из них дают солнечные водонагреватели.

В отличие от батарей солнечных элементов или солнечных батарей, как их привыкли называть, солнечные коллекторы не превращают солнечный свет в солнечную энергию напрямую. В коллекторах энергия солнечного излучения используется для нагревания теплоносителя. Далее теплоноситель может использоваться как для выработки солнечной энергии (по такому принципу работает большое число солнечных электростанций, в том числе и крупнейшая в мире крымская), так и для других нужд, например отопления или горячего водоснабжения.

1. Солнечный водонагреватель

Солнечный водонагреватель -- разновидность солнечного коллектора. Предназначен для производства горячей воды путём поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

Первый солнечный водонагреватель был создан в 1767 году швейцарским ботаником Орасом Бенедиктом де Соссюром и по своей мощности он позволял приготовить суп.

Современный тип водонагревателей был создан в 1953 году в Израиле инженером Леви Иссаром и усовершенствован доктором Цви Тавором в 1955 году, за что получил спустя 3 года премию в 1000 израильских лир от премьер-министра страны, Давида Бен-Гуриона.

Солнечный водонагреватель как раз относится к числу солнечных коллекторов. Именно он из всех типов коллекторов представляет наибольший практический интерес для использования в быту для горячего водоснабжения и отопления. Достигаемая с их помощью экономия традиционных энергоносителей столь чувствительна, что во многих странах использование солнечных водонагревателей поддерживается на государственном уровне.

Так в некоторых странах солнечного средиземноморья (Испания, Италия) владельцы частных домов в законодательном порядке обязуются оборудовать свои коттеджи солнечными бойлерами. А в некоторых странах Китая крыши многоквартирных новостроек представляют собой одну гигантскую водонагревательную панель.

Классическая схема работы солнечного водонагревателя выглядит так:

· и резервуара теплоноситель под действием силы тяжести попадает в нижнюю часть коллектора.

· нагреваясь, теплоноситель поднимается по трубкам коллектора вверх, в то время как в нижнюю часть из резервуара попадает новый остывший теплоноситель.

· пройдя через коллектор, теплоноситель вновь попадает в резервуар, замыкая, таким образом, цикл кругооборота.

· нагретый теплоноситель из резервуара забирается в систему отопления, водоснабжения, либо в теплообменник.

Рисунок 1.1 Схема солнечного водонагревателя

Сердцем солнечного водонагревателя является коллектор, представляющий собой радиатор наоборот - система тонких трубок в виде установленной под углом к горизонту панели. Циркулирующий по трубкам теплоноситель впитывает в себя энергию солнца.

Другой важной частью водонагревателя является резервуар, из которого осуществляется забор теплоносителя для использования, играющий также роль расширительного бачка и аккумулятора тепла. В зависимости от конструкции, резервуар может также выполнять функцию теплообменника.

2. Виды и принцип действия ветроэлектрических установок

Конструкция водонагревателя - это батарея, которая представляет собой несколько стеклянных трубок из кварцевого стекла. В каждой такой трубочке находится медная трубка, выкрашенная в чёрный цвет. В этих внутренних трубочках находится теплоноситель. В стеклянных трубках создан вакуум для того, чтобы не было потерь тепла из внутреннего контура. Кроме того, вакуум защищает батарею от воздействия окружающей среды. Все трубки соединяются с горизонтальным коллектором, по которому циркулирует теплоноситель. Вакуумные трубки поглощают солнечную энергию и отдают его воде.

Рисунок 2.1 Принцип работы солнечного водонагревателя

Функционирует эта система следующим образом:

· Рабочая жидкость (в роли жидкости необязательно должна быть вода) под действием солнечных лучей испаряется, и пар поднимается в верхнюю часть стеклянной колбы;

· Пар контактирует через стенку с водой, которая циркулирует по коллектору. Пар отдаёт тепловую энергию, охлаждается и снова превращается в жидкость;

· Под действием силы тяжести, жидкость стекает вниз и так цикл замыкается;

· Коллектор водонагревателя соединяется с помощью трубопроводов с бойлером косвенного нагрева. Там уже подогревается вода, которая циркулирует в контуре отопления или водоснабжения. Теплоноситель циркулирует с помощью насоса.

Кварцевое стекло, из которого сделаны вакуумные трубки, пропускают ультрафиолетовые волны. Обычное стекло их задерживает. Благодаря пропусканию ультрафиолета солнечная энергия поглощается, когда пасмурно и в зимнее время года. Такую конструкцию в домашних условиях изготовить очень сложно.

Существуют водонагреватели с менее сложным принципом работы. В безнапорных водонагревателях передача тепловой энергии идёт без посредника. Обычно в их конструкции присутствует змеевик (медь, алюминий) на металлической подложке или без неё. Задняя стенка корпуса выкладывается теплоизолирующим материалов. Змеевик посредством трубопроводов соединён с накопительным баком. Змеевик и пластина (ещё называемая абсорбером) выкрашены в чёрный цвет для лучшего поглощения солнечных лучей. Сверху корпус накрыт стеклом, поликарбонатом и т. п. А также проведена тщательная изоляция, чтобы не попадали осадки, грязь, пыль.

Такой упрощённый водонагреватель эффективно работает только в ясную погоду. Но благодаря простоте конструкции такие водонагреватели чаще всего делают своими руками. Кроме того, есть ещё один вариант получить водонагреватель на бесплатной солнечной энергии. Устанавливаются солнечные батареи, которые вырабатывают электричество. А на этом электричестве работает обычный водонагреватель. Такая система тоже может работать круглый год.

Солнечные водонагреватели различаются по:

Способу нагрева воды:

· Прямого нагрева - в этом случае используется одноконтурная схема.

· Косвенного нагрева - используется двухконтурная система.

При этом способе нагрева в системе водонагревателя циркулирует хладагент, а в баке Солнечный коллекторнакопителе установлен конденсатор (3), на котором жидкость, циркулирующая в замкнутом контуре нагревателя, передает полученную энергию воде. Вода, в свою очередь, циркулирует в контуре потребителя.

Рисунок 2.2 Солнечный водонагреватель

Водонагреватель (1) соединен с баком накопителем (2) посредством труб, по которым путем естественной циркуляции движется вода. Осуществляется подпитка системы холодной водой по мере расходования подогретой; Косвенного нагрева - используется двухконтурная система.

По способу обеспечения циркуляции воды:

· Естественная - когда движение воды происходит из-за разности температуры в водонагревателе и у потребителя;

· Принудительная - осуществляется путем установки циркуляционного насоса.

По конструкции:

· Плоские

· Вакуумные

3. Область и особенности применения

Солнечные водонагреватели применяются:

· Горячее водоснабжение частного дома;

· Отопление;

· Подогрев воды для дачных бассейнов;

· Горячая вода для нужд сельского хозяйства и промышленности.

Рекомендации по установке важно учитывать, поскольку от этого целиком и полностью будет зависеть эффективность работы водонагревателя:

· Местом монтажа могут служить крыша дома, фасад, балкон;

· Панель водонагревателя обязательно должна смотреть на юг;

· При установке панели следует сделать угол наклона, равный широте вашего региона;

· Поскольку водонагреватель постоянно принимает солнечную энергию, при небольшом потреблении воды может образоваться застой, где теплоноситель вполне может нагреться до 300 градусов. Поэтому запрещено использовать трубы из пластмассы и оцинкованного железа. Лучше всего выполнять змеевик из меди или нержавейки;

· Обязательно нужно сделать изоляцию нагревающихся элементов водонагревателя, чтобы случайно не обжечься;

· При выборе крепежа и изоляции также следует учитывать возможность застоя теплоносителя и его сильный разогрев. То есть, материалы лучше выбирать с запасом прочности. Многие солидные производители температуру застоя пишут в спецификациях или на корпусе устройства. Ориентируйтесь на это значение;

· Панели солнечного водонагревателя должны располагаться на открытом месте с максимальным освещением солнцем. Вокруг не должно быть никаких высоких предметов, отбрасывающих тень;

· Для увеличения эффективности водонагревателя нужно проводить его крепёж на специальном стеллаже, если такую схему установки предлагает производитель;

· При установке каждый вид нагревателя может иметь свои особенности. Тут нужно ориентироваться на рекомендации производителя.

4. Основные достоинства и недостатки технологии

Солнечные водонагреватели с самотечным передвижением теплоносителя называют пассивными. При выборе такого варианта следует учитывать проблему его размещения. Движение воды здесь происходит благодаря разнице плотности холодного и нагретого теплоносителя. Поэтому такая система должна предусматривать наличие накопительного бака и продуманную систему трубопровода. Такие гелиосистемы имеют низкую скорость накопления нагретой жидкости и это их основной недостаток. Но все плюсы от других гелиосистем в них присутствуют. Это низкое энергопотребление, отсутствие вредных испарений и выделений, экономическая целесообразность. Поэтому солнечные водонагреватели в случае применения элементов активизации потока жидкости становятся практически незаменимыми. Однако для этого требуются дополнительные источники энергии, их питающие, поэтому энергетически независимыми они не являются, в отличие от самотечных пассивных моделей. солнечные водонагреватели для дома

Плоские солнечные водонагреватели используются в системах с прямым и косвенным нагревом воды. К достоинствам данной конструкции относятся: водонагреватель коллектор солнечный

· Возможность применения для различных видов систем;

· Надежность устройств;

· Высокая эффективность устройств;

· Неприхотливость к условиям эксплуатации;

· Длительный срок эксплуатации.

Недостатками являются:

· Низкий КПД установок;

· В случае повреждения требуется полная замена.

Вакуумные солнечные водонагреватели используются в системах с косвенным нагревом воды.

К достоинствам данной конструкции относятся:

· Возможность круглогодичного использования;

· Высокий КПД устройств;

· Универсальность использования.

Недостатками являются:

· Срок эксплуатации непродолжителен, по сравнению с аналогами;

· Подверженность разрушения под воздействием внешних факторов;

· Большие габаритные размеры и масса устройств;

· Нельзя эксплуатировать в регионах с отрицательными температурами наружного воздуха.

5. Перспективы дальнейшего использования технологии

Производство установок для получения тепловой энергии от энергии солнца за последние 4 года увеличилось в мире в несколько раз. На сегодняшний день вводится в эксплуатацию более 3 млн. установок в год, и эта статистика получена не только за счет стран с теплым климатом.

Свою эффективность вакуумные солнечные коллекторы доказали даже в климатических условиях Аляски. Такие темпы освоения этого вида энергии стали возможны благодаря таким факторам последних лет как:

· разработка солнечных коллекторов с трубками вакуумного типа, позволяющих работать при отрицательных температурах -30°С и даже -50°С;

· удешевление производства коллекторов, благодаря переносу производства ведущих мировых производителей в страны Азиатско-тихоокеанского региона;

· повышение цен на энергоносители.

Что сегодня мешает для широкого распространения солнечных коллекторов в России?

· Психологический фактор. Подсознательно солнечная энергия не считается постоянно доступной из-за погодных условий, хотя технически эта проблема решается очень просто - установкой теплоаккумулятора (теплоизолированная емкость с водой).

· Инерционность мышления. По привычке ставятся отопительные системы старого образца.

· Первоначальные затраты выше,чем у классических отопительных систем

· Менталитет (Зачем экономить, если еще можно воровать электричество?)

Какие мы видим перспективы в освоении рынка солнечных водонагревающих устройств?

В ближайшие 3-5 лет произойдет стремительное наполнение этого рынка. Дальнейший рост цен на энергоносители и борьба с расхитителями в России заставят использовать новые эффективные системы отопления.

Заключение

Небесное светило является самым мощным источником энергии из тех, что известны человечеству. Солнечный свет может быть преобразован в электрическую и тепловую энергию. В этой статье нас будет интересовать именно тепловая энергия, которую от солнца мы получаем абсолютно бесплатно и она неисчерпаема. Такие устройства, как солнечные водонагреватели, позволяют преобразовывать энергию солнца в тепловую. Фабричные устройства обладают неплохой производительностью и позволяют организовать отопление частного дома. Есть умельцы, которые самостоятельно мастерят такие устройства. Водонагреватели, работающие от солнца, бесплатно нагревают воду для отопления жилища или для бойлера, где уже отдаёт тепло для нагрева воды, используемой для мытья. Такие устройства пользуются спросом у владельцев частных домов и дач.

Литература

1. Згут М. Ловушка для солнца // Наука и жизнь, издательство Правда. 1988 № 6, стр 87-88

2. Казаков Г. В. Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990

3. http://my.ynet.co.il/pic/yarok/020908/index.htm - my.ynet.co.il/pic/yarok/020908/index.htm Письмо с благодарностью от Бен-Гуриона (иврит)

4. Eric Martinot, Junfeng Renewable Energy Policy Update For China 21 Июль 2010 г. - www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2010/07/renewable-energy-policy-update-for-china?cmpid=rss

Размещено на Allbest.ru