Солнечная система отопления

<час />

Фон

Всего за одну секунду Солнце выделяет в 13 миллионов раз больше энергии, чем вырабатывается всей электроэнергией, потребляемой за год в Соединенных Штатах. Только одна миллионная часть солнечной энергии достигает Земли, но этого скудного количества будет более чем достаточно для удовлетворения энергетических потребностей всей нашей планеты. Относительная сложность извлечения энергии из Солнца по сравнению с системами, получающими энергию из ископаемого топлива или ядерной энергии, препятствовала его развитию как широко распространенному источнику энергии. Однако в меньших масштабах и во многих экспериментальных проектах солнечная энергия доказала свою высокую эффективность в производстве как электричества, так и тепла.

Впервые солнечная энергия была использована в электрических целях в 1950-х годах, когда потребность в непрерывном производстве электроэнергии на космических спутниках привела к разработке солнечной батареи в Bell Telephone Laboratories в США. Однако даже сегодня лучшие кремниевые солнечные элементы преобразуют солнечный свет в электроэнергию с эффективностью всего 18%. Тем не менее, в экспериментах с большим успехом использовалось вырабатываемое солнцем электричество. Одним из наиболее заметных проектов, посвященных солнечной энергии, является ежегодная международная автомобильная гонка на солнечных батареях.

Солнечная энергия оказалась более эффективной и более широко используется как в системах водяного отопления, так и в системах охлаждения и обогрева помещений. В качестве водонагревателя солнечная энергия чаще всего используется для обогрева бассейнов. Для отопления помещений используются два основных типа систем. Пассивная солнечная система отопления пропускает солнечную энергию непосредственно в здание через большие окна, выходящие на юг (в северном полушарии), и напрямую нагревает пространство внутри (это называется прямым усилением и также называется парниковым эффектом) или через стену. или крыша, которая поглощает солнечное излучение, накапливает образующееся тепло и передает тепло в здание (это называется косвенной выгодой). В пассивной системе также могут использоваться поглотитель и компоненты накопителя (например, каменная глыба), которые не являются частью здания, но находятся в их собственной отдельной камере. Это известно как система с изолированным усилением.

Активные солнечные системы отопления используют воду или воздух для передачи тепла от коллекторов, установленных на южной стороне (опять же, в северном полушарии) крыши здания, к скальным грунтам или резервуарам для воды. Сохраненное тепло может поступать в комнату непосредственно при использовании пластов породы и воздуха в качестве теплоносителя или через фанкойлы, когда солнечная энергия сначала нагревает воду. Затем тепло передается через змеевики для нагрева воздуха. Системы охлаждения также делятся на пассивные и активные системы, которые используют ночной воздух и конденсат для охлаждения воздуха в здании.

Могут использоваться различные типы панелей солнечных коллекторов, соответствующие типу обогреваемого или охлаждаемого объекта. Плоский коллектор, большой плоский ящик со стеклянным верхом и поглощающим тепло черным дном, содержащий трубы, идущие параллельно верху и низу, лучше всего подходят для домашнего использования. Концентрирующий коллектор, сделанный из отражающих материалов и имеющий форму желоба или чаши, лучше всего подходит для промышленного использования.

История

Солнце служило источником тепла с незапамятных времен, но самые ранние зарегистрированные Использование созданной человеком солнечной системы сбора энергии восходит к 1776 году, когда швейцарский ученый Гораций де Соссюр разработал элементарный коллектор. обычно называют «горячим ящиком». Астроном сэр Джон Гершель использовал горячие ящики для приготовления еды во время экспедиции в Африку в 1830-х годах, а использование солнечной тепловой энергии для приготовления пищи и перегонки воды впоследствии стало обычным явлением в некоторых частях Африки.

Ранние американские пионеры конца 1800-х годов использовали черные горшки и сковороды для подогрева воды во время дневных путешествий, что способствовало популяризации использования солнечной энергии для нагрева воды. Идея получила широкое распространение в регионах страны, которым в противном случае приходилось импортировать топливо для нагрева воды. Например, в 1897 году почти 30% домов в Пасадене, Калифорния, использовали солнечные водонагреватели.

Солнечная энергия продолжала умеренно использоваться в течение следующего столетия, но резко возросла во время энергетического и нефтяного кризиса 1970-х годов. Использование солнечной энергии сократилось по мере ослабления энергетического кризиса, но вновь приобрело популярность в 1990-х годах, поскольку население все больше осознает опасности для окружающей среды и здоровья населения, вызванные сжиганием ископаемого топлива и использованием ядерной энергии.

Сырье

Поскольку существует множество типов систем солнечного отопления, для их производства можно использовать большое количество разнообразного сырья. В этой статье основное внимание будет уделено базовой пассивной жилой системе и базовой жилой активной системе.

Для пассивной солнечной системы отопления требуется черная плоская коллекторная панель, сделанная из стальной абсорбирующей пластины, покрытой двумя листами стекла, и изолирующая прокладка из стекловолоконной изоляции или полиуретановой пены с покрытием из алюминиевой фольги, которая действует как барьер для влаги. . Система заключена в неглубокий ящик из дерева, оцинкованной стали или алюминия. Система также обычно требует бункера для хранения тепла, содержащего сухую гальку или камни. Этот блок накапливает тепло, когда здание достаточно отапливается. Кроме того, для системы требуется дифференциальный термостат, электронная система, которая позволяет вручную регулировать уровни нагрева и, следовательно, температуру в помещении, а также модуль обработки воздуха, состоящий из соединительных каналов, воздушных фильтров, нагнетателя и автоматических заслонок.

Для активной солнечной системы отопления жилых помещений, использующей воду в качестве накопителя, требуется коллектор с плоской пластиной, состоящий из одного или двух листов стекла или прозрачного пластика с черными металлическими трубками и изоляционной прокладки из стеклопластика или аналогичного изоляционного материала. Для системы также требуются водяные насосы, накопительный бак, теплообменные змеевики, дополнительный нагреватель, вентилятор, фильтры и регулирующий клапан. Если в качестве материала для хранения используются камни, изотермический контейнер должен использоваться для их сдерживания, и, очевидно, водяные насосы и змеевики не нужны.

Все солнечные системы отопления используют конопатку, алюминиевый сайдинг и заглушки, скорее всего, из резины, краски и дерева.

Производственный
процесс

Коллекционеры

• 1 Плоские коллекторы устанавливаются либо на скатной крыше, либо на вертикальных стенах путем установки неглубоких поддонов из листового металла, которые напоминают большие противни для выпечки, на каждом конце коллекторов и прикрепления противней к стропилам крыши или стены. . Затем обильно заделывают верхний край поддонов коллектора. Далее к крыше или стене прикрепляется обшивка, и все швы заделываются. В обшивке прорезаны прорези коллектора, по периметру обшивки закреплена блокировка.
• 2 Поглотительная пластина устанавливается над обшивкой, доходя до внешней блокировки коллектора. Концы закрываются концевыми заглушками, как правило, из резины и герметика. Верхний и нижний края также зашпаклеваны.
• 3 планки крепятся к пластине абсорбера O, и крепится система остекления, состоящая из одинарного слоя стекла на крыше или двойного слоя стекла на стене.
• По периметру коллектора установлено 4 алюминиевых остекления.

Система обработки и контроля воздуха

• 5 В пассивной системе система кондиционирования воздуха состоит исключительно из воздуховодов, установленных между коллектором и жилым помещением, а также вентилятора и устройства ручного управления для включения вентилятора. Изолированная система усиления также будет включать в себя отдельную камеру хранения и воздуховоды, ведущие в камеру и из нее.
• 6 В активной системе требуется резервуар для хранения камней или воды для хранения избыточного тепла. Установлены воздуховоды с двухпозиционными заслонками, идущие от коллектора к дому, от коллектора к бункеру для хранения и от бункера для хранения к дому. Установлены два вентилятора.

Хранилище

• 7 Система хранения камней состоит из изолированного бункера, заполненного мелкими камнями шириной 1–5 дюймов (2,5–12,7 см). Между камнями должно быть достаточно места для облегчения продувки воздухом через соединения воздуховодов на обоих концах бункера.
• 8 Система хранения воды похожа на систему хранения камней, в которой используется вода, а не камни.

Контроль качества

Для системы солнечного отопления жилых помещений соответствие концевых заглушек и герметичность коллекторов можно проверить с помощью дымовой шашки для обнаружения любых утечек. Перед остеклением проводится испытание на дымность.

Будущее

По мере того, как разрабатывается все больше прототипов жилых и коммерческих помещений с солнечным обогревом и солнечной энергией, этот источник энергии демонстрирует серьезные признаки превращения в источник тепла и электричества, который является более чем экспериментальным. Группы по охране окружающей среды и природных ресурсов, а также часто в сотрудничестве с Министерством энергетики США и рядом международных организаций продолжают настаивать на более широком использовании солнечного тепла и энергии, а также постоянно разрабатывать новые и инновационные способы использования этого источника. энергии. Хотя работа в Исследовательском центре солнечной энергии Министерства энергетики сосредоточена на фотоэлектрической энергии, само здание является свидетельством успеха солнечной энергии. Инновационный дизайн здания с окнами и ступеньками позволяет получать прямое солнечное освещение и обогрев. Он является примером того, насколько успешной может быть зависимость от солнечной энергии - и насколько распространенной может стать такая зависимость в будущем.

Американское общество солнечной энергии демонстрирует практичность солнечной энергии в своих ежегодных экскурсиях по дому. Организация также информирует своих членов о законодательных изменениях, касающихся вопросов солнечной энергии. Например, в июле 1996 года организация активно лоббировала принятие закона о финансировании возобновляемых источников энергии. Хотя на сегодняшний день такое законодательство не было принято, введение таких законопроектов указывает на интерес к вопросам солнечной энергии, по крайней мере, среди некоторых членов Конгресса. Международное общество солнечной энергии занимается аналогичными проблемами на глобальном уровне и работает над тем, чтобы во всем мире больше полагаться на солнечную энергию.