Солнечные отопительные системы: от пассивных к активным решениям для устойчивого отопления домов

Общие сведения

За одну секунду Солнце излучает в 13 млн раз больше энергии, чем потребляет США за год. Хотя лишь малая доля достигает Земли, этого достаточно для комфортного питания всей планеты.

Электрический потенциал солнца доказан в 1950-х, когда NASA нуждалась в надёжном источнике для спутников. Пионерские кремниевые элементы Bell Labs до сих пор конвертируют лишь ~18 % солнечного света в электричество. Несмотря на скромную эффективность, солнечная энергия успешно приводила в движение такие проекты, как Международная солнечная гонка.

Тепловой захват солнца особенно эффективен для бытовой горячей воды и климат-контроля зданий. Бассейны регулярно используют солнечные коллекторы. Для жилых отоплений существуют два основных типа систем:

• Пассивное солнечное отопление пропускает солнечный свет прямо в здание через южные окна (северное полушарие) или через стену/крышу, впитывающую, накапливающую и передающую тепло внутрь. Вариант — изолированная система накопления — накапливает тепло в отдельной камере, например, камене.
• Активное солнечное отопление использует воду или воздух как теплоноситель. Коллекторы на южной крыше направляют тепло в каменные ложи или водяные баки. Накопленное тепло затем доставляют через воздуховоды, фанкойлы или прямое воздушное циркулирование.

Системы охлаждения также делятся на пассивные и активные, используя ночное проветривание и конденсацию для снижения температуры внутри.

Разные типы коллекторов под конкретные задачи. Плоско-пластинчатые коллекторы (стекло сверху, чёрная абсорбирующая пластина) подходят для бытовых нужд. Концентрирующие коллекторы — в форме желоба или чаши — для промышленности.

История

Солнце всегда было первичным источником тепла, но первый документированный человеческий солнечный коллектор датируется 1776 г., когда швейцарский учёный Орасио де Соссюр построил простой «горячий ящик».

Сэр Джон Гершель позже использовал горячие ящики для приготовления еды во время африканской экспедиции 1830-х. Солнечная термическая готовка и дистилляция воды распространились в частях Африки.

В США пионеры в конце 1800-х использовали чёрные горшки и сковородки для нагрева воды днём, спровоцировав массовое внедрение в регионах, зависящих от ввозимого топлива. К 1897 г. почти 30 % домов в Пасадене (Калифорния) использовали солнечные водонагреватели.

Солнечные технологии росли в XX веке, пик пришелся на энергетический кризис 1970-х. После утихания интереса, в 1990-х интерес возродился из-за опасений по выбросам ископаемого топлива и ядерной безопасности.

Сырьё

Солнечные отопительные системы варьируются, ниже базовая резиденциальная пассивная и активная конфигурация.

Пассивная система требует чёрный плоско-пластинчатый коллектор: стальная абсорбирующая пластина под двумя стеклами, окружённая утеплителем из стекловолокна или полиуретана с фольгированной алюминиевой пароизоляцией. Блок в мелком деревянном, оцинкованном или алюминиевом ящике. Теплоаккумулирующий бак — сухие галька или камни — захватывает избыточное тепло. Дифференциальный термостат даёт ручное управление температурой, воздушный модуль (воздуховоды, фильтры, вентилятор, автоматические запирашки) циркулирует нагретый воздух.

Активная система с водяным накоплением нуждается в плоско-пластинчатом коллекторе с одним или двумя прозрачными слоями, чёрными металлическими трубками и утеплителем. Система также включает водяной насос, накопительный бак, теплообменные катушки, вспомогательный нагреватель, вентилятор, фильтры, регулирующий клапан. Если используется каменное накопление вместо воды — изолированный бак с камнями, исключающий насосы и катушки.

Все солнечные установки используют герметик, алюминиевую облицовку, замыкающие полосы из резины, краски или дерева для герметизации стыков и защиты системы.

Процесс монтажа (производство компонентов)

Коллекторы

1. Плоско-пластинчатые коллекторы монтируют на наклонных крышах или вертикальных стенах, крепя мелкие листовые коллекторные поддоны — напоминающие большие противни — по краям и фиксируя к стропилам. Герметик наносят по верхнему краю поддона. Затем укладывают обшивку, все швы герметизируют. В обшивке вырезают щели под доны, периметр укрепляют брусьями.
2. Абсорбирующую пластину укладывают над обшивкой, выходя на периметр брусьев. Краевые заглушки — обычно резиновые — запечатывают концы, верхние и нижние края герметизируют.
3. Брусья крепят к абсорбирующей пластине, устанавливают стеклопакет — одиночное стекло на крышах, двойное на стенах.
4. Алюминиевые рейки оформляют периметр коллектора.

Воздушная обработка и управление

1. В пассивной системе воздушный блок — только воздуховоды между коллектором и жилым пространством, вентилятор и ручной выключатель. Изолированная система накопления добавляет отдельную камеру и воздуховоды к зданию.
2. В активной системе накопительный бак (камни или вода) хранит избыточное тепло. Воздуховоды с запирашками связывают коллектор с баком, бак с домом, коллектор напрямую с домом. Два вентилятора циркулируют воздух.

Накопление

1. Каменное накопление: изолированный бак с мелкими камнями (2,5–12,7 см) с зазорами для прохода воздуха через каналы.
2. Водяное накопление зеркалит каменную схему, но тепло хранят в воде.

Контроль качества

Для жилых установок проверяют плотность краевых заглушек и герметизацию дымовой бомбой до установки стеклопакета. Тест выявляет утечки и гарантирует герметичность.

Будущее

По мере зреления прототипов солнечно-отопляемых и солнечно-питаемых домов и коммерческих зданий, солнечная энергетика переходит от экспериментальной к основной. Экологические НПО, Минэнерго США, международные органы активно продвигают широкое внедрение и продолжают инновации.

Объект DOE Solar Energy Research демонстрирует фотоэлектрические достижения, а само здание иллюстрирует преимущества дизайна, управляемого дневным светом. Его окнонасыщенная лестничная архитектура показывает, как солнечное отопление может бесшовно интегрироваться в архитектуру.

Американское солнечное энергетическое общество демонстрирует практические проекты через ежегодные туры солнечных домов и информирует членов о законодательных инициативах. Например, в июле 1996 г. лоббировало закон о финансировании возобновляемой энергетики — хотя не принят, показал интерес Конгресса. Международное солнечное энергетическое общество преследует похожие цели глобально, выступая за увеличение доли солнечной энергии во всём мире.