Если на вашей даче еще нет электричества и газа, и нагрев воды представляет определенную трудность, предлагаю сделать солнечный водонагреватель для душа и мытья посуды из материалов которые зачастую можно найти на свалке.
Благодаря минимальным теплопотерям вакуумные коллекторы успешно используются в системах ГВС и для отопления дома
К другим преимуществам можно отнести следующее:
- простоту ремонта – каждый поврежденный узел можно с легкостью заменить;
- эффективность работы даже при минус 30°С;
- надежность – гелиосистема продолжит свою работу даже после того, как одна из трубок выйдет из строя;
- способность генерировать температуру более 300°С;
- возможность работы даже в облачную погоду и полное поглощение солнечной энергии, в том числе невидимых спектров;
- незначительную парусность коллектора.
Конструкцию гелиосистемы можно устанавливать под углом, не превышающим 20°. Более того, ее поверхность следует периодически очищать от грязи и снега.Пластина черного цвета поглощает тепло и передает его теплоносителю, движущемуся по трубкам (вода или антифриз). Боросиликатное стекло выполняет 2 функции: пропускает к теплообменнику солнечную радиацию и служит защитой от осадков и ветра, снижающих производительность нагревателя. Все соединения выполнены герметично, чтобы внутрь не попадала пыль и стекло не теряло прозрачности. Опять же, тепло солнечных лучей не должно выветриваться наружным воздухом через щели, от этого зависит эффективная работа солнечного коллектора.
- тепловая изоляция с помощью вакуума;
- использование энергии парообразования и конденсации вещества, кипящего при низкой температуре.
Идеальный вариант защитить абсорбер для коллектора от тепловых потерь – это заключить его в вакуум. Медная трубка, наполненная хладагентом и покрытая абсорбирующим слоем, помещена внутрь колбы из прочного стекла, воздух из пространства между ними откачан. Концы медной трубки входят в трубу, через которую протекает теплоноситель. Что происходит: хладагент под воздействием солнечных лучей закипает и обращается в пар, он поднимается по трубке вверх и от соприкосновения с теплоносителем сквозь тонкую стенку снова переходит в жидкость. Ниже показана рабочая схема коллектора:Фокус в том, что в процессе превращения в пар вещество поглощает гораздо больше тепловой энергии, чем при обычном нагреве. Удельная теплота парообразования любой жидкости выше, нежели ее удельная теплоемкость, а потому вакуумные солнечные коллекторы весьма эффективны. Конденсируясь в трубе с проточным теплоносителем, хладагент передает ему всю теплоту, а сам стекает вниз за новой порцией энергии солнца.
Наверное, многие слышали об особенных свойствах огнеупорных стекол, которые уже долгие годы широко используются как в бытовых, так и промышленных целях. Такие термостойкие стекла называют боросиликатными.Боросиликатное стекло является разновидностью силикатного стекла, которое изготавливается из основных химических элементов (кварцевого песка, углеродистого натрия, оксида калия и глинозема), а также дополнительного компонента – оксида бора (В2О3). Именно данный химический элемент делает боросиликатное стекло стойким к максимально низким и высоким температурам (от -80 до +525°С). Кроме этого оно инертно ко многим кислотным и щелочным соединениям, а также солям и различным органическим элементам. Благодаря хорошей передаче теплового излучения боросиликаты используют для изготовления ваккумных трубок, поглощающих солнечные лучи. Такие трубки устанавливают в водонагревательных приборах, в солнечных батареях и т.д.
корпус старого холодильника или оконной рамы и пенопласта или пены . внутри ящика зеркала установить медный змеевик это будет термический диод.. надо еще . Основная интенсивность солнечного излучения
Быстросохнущая, на алкидной основе матовая краска черного цвета с быстрым высыханием при окраске и реакционной сушкой, применяемая в качестве последнего слоя покрытия. Представляет собой грунтовку, которая за счет высокой водостойкости защищает поверхность от коррозии. Матовость и интенсивность черного цвета адаптированы для обеспечения наибольшего поглощения тепла.
Области применения : Черная матовая краска «Gemsa Rapid» используется в качестве абсорбционной краски для поглощения солнечных лучей на таких поверхностях, как солнечные энергетические системы, а также в качестве грунтовочной краски на всех поверхностях, на которые наносятся финишные лакокрасочные покрытия промышленного назначения.Содержание “растворимого" кадмия в образце пигмента
.jpg)
Как правило, они представляют собой плоские трубчатые коллекторы, которые устанавливают стационарно и ориентируют воспринимающую поверхность к югу с уклоном к горизонту, и угол его наклона зависит от широты данной местности. В связи с сезонным изменением траектории прохождения солнца по небосклону этот угол корректируют: летом уменьшают на 5–10°, в зимний период примерно на эту же величину увеличивают.
Принципиальным недостатком всех существующих конструкций плоских солнечных коллекторов является необходимость иметь в их составе специальные механизмы, следящие за траекторией движения солнца как по высоте, так и по углу азимута в течение всего светового дня от восхода до захода. В идеальном случае плоский трубчатый солнечный коллектор, в буквальном смысле как подсолнух, должен следовать за солнцем, сохраняя оптимальное положение в течение всего дня. Применение такого солнечного коллектора, в котором происходит совмещение взаимодействия автоматического устройства суточного и годового слежения за солнцем и часового механизма с корректирующими устройствами, действительно даёт возможность реализовать его оптимальную ориентацию и вследствие этого получить максимальную тепловую энергию.
Сферический солнечный коллектор
Однако такие механизмы, кроме того, что они кинематически чрезвычайно сложны, требуют для их привода в действие подвода дополнительной энергии. Поэтому подвижные плоские солнечные коллекторы, следящие за траекторией солнца, вследствие высокой стоимости и громоздкости не получили широкого практического применения, и в настоящее время используются, в основном, только стационарные коллекторы.
Целью данной работы является определение количества солнечной энергии, воспринимаемой сферическими солнечными коллекторами, их ориентация относительно горизонта.
В Институте проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины разработана и запатентована серия принципиально новых по геометрической форме объёмных солнечных коллекторов. С целью снижения теплопотерь и повышения энергоэффективности разработана оптимальная конструкция сферического солнечного коллектора, представленная на рисунке 1.
Рис. 1. Конструкция сферического солнечного коллектора
Коллектор содержит теплоприёмник 1, который выполнен из навитой по сферической винтовой линии единой металлической трубки. Теплоприёмник 1 размещён внутри вакуумированной стеклянной сферы 2, состоящей из двух полусфер, герметично установленных в профильной прокладке 3 из вакуумной резины.
Внутри профильной прокладки 3 встроено вогнутое наружу сферическое зеркало 5 радиусом R, равным радиусу внутренней сферы теплоприёмника в виде шарового пояса высотой, равной высоте профильной прокладки.
Сферический солнечный коллектор функционирует следующим образом. На вход в подводящий патрубок теплоприёмника 1 подаётся холодный теплоноситель (например, техническая вода), который двигается по винтовой линии единой металлической трубки. Во время движения теплоноситель постоянно нагревается лучистой солнечной энергией, воздействующей через прозрачную сферу 2 на трубчатый теплоприёмник 1. При этом солнечные лучи от восхода до захода солнца постоянно воздействуют на половину наружной сферической поверхности теплоприёмника 1, а также проникают через промежутки между витками теплоприёмника и нагревают половину противоположных внутренних тыльных поверхностей трубных витков теплоприёмника 1.
Кроме того, солнечные лучи в течение всего светового дня, проникая между витками теплоприёмника 1, постоянно воздействуют на различные участки вогнутого наружу сферического зеркала 5. При этом они отражаются в направлении внутренних затенённых участков витков теплоприёмника 1, на внешнюю поверхность которых в данный момент эти лучи направлены.
После прохождения по винтовой линии теплоприёмника 1 горячий теплоноситель поступает на выход в отводящий патрубок (направление движения теплоносителя показано стрелками на рисунке 1) и затем направляется для дальнейшего потребления (бак-аккумулятор, отопление, горячее водоснабжение и т. п.). Вакуум в прозрачной сфере практически полностью исключает теплопотери в теплоприёмнике 1.
Необходимо отметить ряд преимуществ геометрии сферических солнечных коллекторов по сравнению с геометрией плоских. Сравнение проводилось при одинаковых общей длине и диаметре металлической трубки коллекторов.
Как правило, плоские солнечные коллекторы выполняются в виде отдельных вакуумированных стеклянных трубок, концентрически надетых и закреплённых на металлических трубках. Трубки одним концом входят в приёмный патрубок, другим – в выходной патрубок. В сферическом коллекторе вакуумируется стеклянная оболочка, состоящая из двух полусфер, внутри которых расположен сферический теплоприемник, выполненный из единой трубки.
Поскольку кривизна стеклянной сферы в десятки раз меньше кривизны стеклянных трубок, это снижает отражательную и повышает пропускательную способность сферы при воздействии солнечных лучей.
Сферическая форма не требует использования каких-либо дополнительных механизмов, чтобы следовать за движением солнца. Благодаря такой форме коллектор постоянно «следит» за ним, т. е. фактически одинаково воспринимает лучистую энергию солнца, когда оно проходит по небосводу на разной высоте и под разными углами азимута.
В сферическом коллекторе благодаря единому трубопроводу, выполненному в виде сферической винтовой линии, за счёт снижения местных сопротивлений и отсутствия входного и выходного патрубков гидравлическое сопротивление в 1,4–1,6 раза меньше, чем у плоского, выполненного в виде отдельных трубок.
Вес сферического коллектора в среднем в 2,5–3 раз меньше плоского. Площадь под установку сферического коллектора в среднем в 1,5–2,5 раз меньше, чем требуется площадь под монтаж плоского коллектора.
Расчёт количества солнечной энергии, воспринимаемой сферическим солнечным коллектором в течение одного дня, сводится к вычислению следующего интеграла:
Поверхность Г(t) представляет собой освещённую часть внешней поверхности трубки коллектора в момент времени t, так как в каждый момент времени данная поверхность сама себя затеняет от солнца. Интенсивность солнца I зависит от его высоты hs и представляет полную энергию, поступающую в единицу времени на единицу поверхности, обращённую непосредственно к солнцу.
На рисунке 2 представлена линейная аппроксимация зависимости интенсивности солнца от его высоты hs.
Рис. 2. Зависимость солнечной интенсивности от высоты солнца
Поскольку высота солнца зависит от времени суток и от дня в году, то отсюда получаем зависимость I(t) для каждого дня. В формуле (1) величина I(t)cosi – интенсивность солнечного излучения, падающего на горизонтальную поверхность под углом i к нормали в определённой точке этой поверхности. Значение угла i также зависит от времени.
Чтобы оптимально ориентировать сферический солнечный коллектор, необходимо произвести сравнение общего количества полученной им энергии для различных его положений относительно горизонта. Количество солнечной энергии, воспринимаемое коллектором за весь год, можно записать как:
где Q(d) вычисляется по формуле (1).
Ориентацию солнечного коллектора относительно горизонта будем определять величиной угла наклона α вертикальной оси коллектора к горизонту. Начало отсчёта этого угла α производится от северного направления (α = 0°) и заканчивается южным (α = 180°).
В результате вычисления интеграла (1) для различных значений d получим усреднённую по всем дням года величину площади освещённой части поверхности сферического коллектора. Её значение можно записать как S = B(α)⋅2πr0L, где B(α) – коэффициент, значение которого зависит от ориентации солнечного коллектора; r0 – внешний радиус трубки; L – её длина.
Если функцию Icosi усреднить по пространству и времени за один день величиной IC(d), то тогда интеграл (1) приближённо можно представить в следующем виде:
Ниже для двух отрезков изменения аргумента d функция IC(d) представлена в виде приближения полиномами четвёртой степени для следующих значений: внешнего радиуса трубки r0 = 0,006 м, радиуса сферы 0,15 м, количества витков 10, α = 90° и для географической широты местности (г. Харьков) ϕ = 50°
Таким образом, формула (3) с учётом приведенной полиномиальной аппроксимации подынтегральной функции даёт возможность вычислять количество энергии, принятой солнечным коллектором в течение определённого дня года. Вычислив сумму (2), имеем количество тепла, получаемого коллектором за год при вертикальной ориентации оси коллектора:
На рисунке 3 представлена зависимость количества тепловой энергии, накопленной солнечным коллектором за год, от угла наклона α. Расчёт проведен согласно формуле (2) с учётом аналогичной аппроксимации (3) для различных значений α.
Рис. 3. Зависимость количества солнечной энергии, накопленной сферическим коллектором за год,
в зависимости от угла наклона α
Для возможности практического использования полученных результатов приведём приближённые выражения для величины Qα:
Оптимальное значение угла наклона сферического солнечного коллектора составляет αopt ≈ 135°, а приближение (4) даёт значение 133,97°.
В итоге определён оптимальный угол наклона сферического солнечного коллектора в зависимости от широты местности, на которой он установлен. Именно при таком угле наклона коллектора будет получено максимальное количество накопленной за год солнечной энергии.
.jpg)
Для европейской части России рекомендуется угол наклона 50-60°.
Азимут описывает отклонение плоскости коллектора от направления на юг. Если плоскость коллектора ориентирована на юг, то азимут =0°. Чем меньше отклонение от направления на юг, тем лучше. В идеале, следовало бы учитывать режим потребления тепловой энергии ( если больше потребляется утром, то лучше ориентировать на юго-восток и т.д.), но не всегда это четко понятно.
.jpg)
