Солнечный водонагреватель ( SWH ) нагревает воду солнечным светом с помощью солнечного теплового коллектора . Доступны различные конфигурации по разной стоимости для обеспечения решений в разных климатических условиях и широтах. SWH широко используются в жилых и некоторых промышленных целях. [1] [2]
Коллектор, обращенный к солнцу, нагревает рабочую жидкость , которая поступает в систему хранения для последующего использования. SWH бывают активными (насосными) и пассивными ( конвекционными ). Они используют только воду или и воду, и рабочую жидкость. Они нагреваются напрямую или через концентрирующие свет зеркала. Они работают независимо или как гибриды с электрическими или газовыми нагревателями. [3] В крупномасштабных установках зеркала могут концентрировать солнечный свет в меньший коллектор. [ оригинальное исследование? ]
По состоянию на 2017 год мировая мощность солнечной энергетики горячего водоснабжения (ГВС) составляет 472 ГВт , а на рынке доминируют Китай , США и Турция . [4] Барбадос , Австрия , Кипр , Израиль и Греция являются странами-лидерами по мощности на душу населения. [4]
_-_Solar_water_heater_advert.jpg/1280px-Out_west_(1902)_-_Solar_water_heater_advert.jpg)
Записи о солнечных коллекторах в Соединенных Штатах датируются периодом до 1900 года [5], включающим в себя черный бак, установленный на крыше. В 1896 году Кларенс Кемп из Балтимора заключил бак в деревянный ящик, создав таким образом первый «периодический водонагреватель», как они известны сегодня. Фрэнк Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию в Маади, Египет , используя параболические желоба для питания двигателя мощностью от 45 до 52 киловатт (от 60 до 70 лошадиных сил), который перекачивал 23 000 литров (6000 галлонов США) воды в минуту из реки Нил на соседние хлопковые поля.
Плоские коллекторы для солнечного нагрева воды использовались во Флориде и Южной Калифорнии в 1920-х годах. Интерес к ним возрос в Северной Америке после 1960 года, но особенно после нефтяного кризиса 1973 года .
Солнечная энергия используется в Австралии , Канаде , Китае , Германии , Индии , Израиле , Японии , Португалии , Румынии , Испании , Великобритании и США .
Израиль, Кипр и Греция являются лидерами по использованию солнечных водонагревательных систем на душу населения, обеспечивая 30%–40% домов. [6]
Плоские солнечные системы были усовершенствованы и широко использовались в Израиле. В 1950-х годах нехватка топлива привела к тому, что правительство запретило нагревать воду с 22:00 до 6:00. Леви Йиссар построил первый прототип израильского солнечного водонагревателя, а в 1953 году он основал компанию NerYah Company, первого в Израиле коммерческого производителя солнечных водонагревателей. [7] К 1967 году солнечные водонагреватели использовались 20% населения. После энергетического кризиса 1970-х годов, в 1980 году Израиль потребовал установку солнечных водонагревателей во всех новых домах (за исключением высоких башен с недостаточной площадью крыши). [8] В результате Израиль стал мировым лидером по использованию солнечной энергии на душу населения , при этом 85% домохозяйств использовали солнечные тепловые системы (3% от первичного национального потребления энергии), [9] по оценкам, это сэкономит стране 2 миллиона баррелей (320 000 м 3 ) нефти в год. [10] [11]
В 2005 году Испания стала первой страной в мире, которая ввела обязательное требование об установке фотоэлектрических систем генерации электроэнергии в новых зданиях, а в 2006 году — второй (после Израиля) страной, которая ввела обязательное требование об установке солнечных водонагревательных систем. [12]
После 1960 года системы поступили в продажу в Японии. [5]
В Австралии действует ряд национальных и государственных правил и норм в отношении солнечной тепловой энергии, начиная с MRET в 1997 году. [13] [14] [15]
Солнечные водонагревательные системы популярны в Китае, где базовые модели начинаются от 1500 юаней (235 долларов США), что примерно на 80% меньше, чем в западных странах для данного размера коллектора. По крайней мере, 30 миллионов китайских домохозяйств имеют один. Популярность обусловлена эффективными вакуумными трубками, которые позволяют нагревателям работать даже под серым небом и при температурах значительно ниже нуля. [16]
Тип, сложность и размер солнечной водонагревательной системы в основном определяются:
Минимальные требования к системе обычно определяются количеством или температурой горячей воды, необходимой зимой, когда выход системы и температура входящей воды обычно находятся на самом низком уровне. Максимальная производительность системы определяется необходимостью предотвращения перегрева воды в системе.
Меры защиты от замерзания предотвращают повреждение системы из-за расширения замерзающей жидкости. Системы обратного слива сливают жидкость из системы, когда насос останавливается. Во многих косвенных системах в жидкости теплоносителя используется антифриз (например, пропиленгликоль ).
В некоторых прямых системах коллекторы можно осушать вручную, когда ожидается замерзание. Этот подход распространен в климате, где заморозки случаются нечасто, но он может быть менее надежным, чем автоматическая система, поскольку она зависит от оператора.
Третий тип защиты от замерзания — это морозостойкость, когда водопроводные трубы низкого давления из силиконовой резины просто расширяются при замерзании. Один из таких коллекторов теперь имеет аккредитацию European Solar Keymark.
Примечательно, что хотя необходимость защиты от замерзания традиционно была осложняющим фактором, системы, использующие вакуумные трубчатые коллекторы, могут использоваться в климате с умеренными морозами без необходимости обратного слива или антифриза. Это связано с тем, что в вакуумной трубчатой системе вода находится только в теплоизолированном коллекторе, а не в самих вакуумных трубках. Дополнительная защита также обеспечивается контроллером: если температура коллектора падает ниже заданного значения (обычно от 2 до 4'C), циркуляционный насос автоматически включается на короткий период времени для подачи более теплой воды в коллектор.
Если горячая вода не используется в течение дня или двух, жидкость в коллекторах и накопителях может достигать высоких температур во всех системах без «обратного стока». Когда накопительный бак в системе «обратного стока» достигает желаемой температуры, насосы останавливаются, завершая процесс нагрева и тем самым предотвращая перегрев накопительного бака.
Некоторые активные системы намеренно охлаждают воду в резервуаре для хранения, пропуская горячую воду через коллектор в то время, когда мало солнечного света или ночью, теряя тепло. Это наиболее эффективно в водопроводе с прямым или тепловым накопителем и практически неэффективно в системах, использующих вакуумные трубчатые коллекторы, из-за их превосходной изоляции. Любой тип коллектора все равно может перегреваться. Высоконапорные, герметичные солнечные тепловые системы в конечном итоге полагаются на работу клапанов сброса температуры и давления . Нагреватели низкого давления с открытым вентилем имеют более простые и надежные элементы управления безопасностью, как правило, открытый вентиляционый клапан.
Простые конструкции включают в себя простую стеклянную изолированную коробку с плоским солнечным поглотителем из темного листового металла, прикрепленную к медным трубкам теплообменника , или набор металлических трубок, окруженных вакуумированным (почти вакуумным) стеклянным цилиндром. В промышленных случаях параболическое зеркало может концентрировать солнечный свет на трубке. Тепло хранится в баке для хранения горячей воды . Объем этого бака должен быть больше с солнечными системами отопления, чтобы компенсировать плохую погоду [ необходимо разъяснение ] и потому, что оптимальная конечная температура для солнечного коллектора [ необходимо разъяснение ] ниже, чем у типичного погружного или сжигательного нагревателя. Теплопередающей жидкостью (HTF) для поглотителя может быть вода, но чаще (по крайней мере, в активных системах) является отдельный контур жидкости, содержащий антифриз и ингибитор коррозии, который подает тепло в бак через теплообменник ( обычно змеевик медной трубки теплообменника внутри бака). Медь является важным компонентом в системах солнечного теплового отопления и охлаждения из-за ее высокой теплопроводности, атмосферной и водной коррозионной стойкости, герметизации и соединения пайкой и механической прочности. Медь используется как в приемниках, так и в первичных контурах (трубы и теплообменники для водяных баков). [17]
«Обратный слив» — еще одна концепция с меньшими затратами на техническое обслуживание. [18] Антифриз не требуется; вместо этого все трубы имеют уклон, чтобы вода стекала обратно в бак. Бак не находится под давлением и работает при атмосферном давлении. Как только насос отключается, поток меняет направление, и трубы пустеют до того, как может произойти замерзание.
Жилые солнечные тепловые установки делятся на две группы: пассивные (иногда называемые «компактными») и активные (иногда называемые «насосными») системы. Оба типа обычно включают вспомогательный источник энергии (электрический нагревательный элемент или подключение к газовой или мазутной центральной системе отопления), который активируется, когда вода в баке падает ниже минимальной установленной температуры, гарантируя, что горячая вода всегда будет доступна. Сочетание солнечного нагрева воды и резервного тепла от дымохода дровяной печи [19] может позволить системе горячего водоснабжения работать круглый год в более прохладном климате, без дополнительной потребности в тепле солнечной системы нагрева воды, удовлетворяемой ископаемым топливом или электричеством.
Когда система солнечного водонагрева и центрального отопления горячей водой используются вместе, солнечное тепло будет либо концентрироваться в предварительном нагревательном баке, который подается в бак, нагретый центральным отоплением , либо солнечный теплообменник заменит нижний нагревательный элемент, а верхний элемент останется для обеспечения дополнительного тепла. Однако основная потребность в центральном отоплении возникает ночью и зимой, когда поступление солнечной энергии ниже. Поэтому солнечный водонагреватель для мытья и купания часто является лучшим применением, чем центральное отопление, поскольку предложение и спрос лучше соответствуют друг другу. Во многих климатических условиях солнечная система горячего водоснабжения может обеспечивать до 85% энергии для бытового горячего водоснабжения. Это может включать бытовые неэлектрические концентрирующие солнечные тепловые системы. Во многих странах Северной Европы комбинированные системы горячего водоснабжения и отопления помещений ( солнечные комбисистемы ) используются для обеспечения 15–25% энергии для отопления домов. В сочетании с хранением крупномасштабное солнечное отопление может обеспечивать 50–97% годового потребления тепла для централизованного теплоснабжения . [20] [21]
Системы прямого или открытого контура циркулируют питьевую воду через коллекторы. Они относительно дешевы. Недостатки включают:
Появление конструкций, устойчивых к замерзанию, расширило рынок SWH до более холодного климата. В условиях замерзания более ранние модели повреждались, когда вода превращалась в лед, разрывая один или несколько компонентов.
Системы с косвенным или замкнутым контуром используют теплообменник для передачи тепла от жидкости «теплопередающей жидкости» (HTF) к питьевой воде. Наиболее распространенный HTF — это смесь антифриза и воды, которая обычно использует нетоксичный пропиленгликоль . После нагрева в панелях HTF поступает в теплообменник, где его тепло передается питьевой воде. Системы с косвенным контуром обеспечивают защиту от замерзания и, как правило, защиту от перегрева.
Пассивные системы используют конвекцию, управляемую теплом, или тепловые трубки для циркуляции рабочей жидкости. Пассивные системы стоят дешевле и требуют минимального или нулевого обслуживания, но менее эффективны. Перегрев и замерзание являются основными проблемами.
Активные системы используют один или несколько насосов для циркуляции воды и/или нагревательной жидкости . Это позволяет использовать гораздо более широкий диапазон конфигураций системы.
Насосные системы дороже в приобретении и эксплуатации. Однако они работают с большей эффективностью и их легче контролировать.
Активные системы оснащены контроллерами с такими функциями, как взаимодействие с резервным электрическим или газовым водонагревателем, расчет и регистрация сэкономленной энергии, функции безопасности, удаленный доступ и информационные дисплеи.
Система интегрированного коллекторного хранения (ICS или нагреватель партии) использует бак, который действует как хранилище и коллектор. Нагреватели партии представляют собой тонкие прямолинейные баки со стеклянной стороной, обращенной к Солнцу в полдень . Они просты и менее дороги, чем пластинчатые и трубчатые коллекторы, но могут потребовать укрепления при установке на крыше (для поддержки 400–700 фунтов (180–320 кг) фунтов воды), страдают от значительной потери тепла ночью, поскольку сторона, обращенная к Солнцу, в значительной степени не изолирована, и подходят только для умеренного климата.
Система конвекционного накопителя тепла (CHS) похожа на систему ICS, за исключением того, что накопительный бак и коллектор физически разделены, а передача между ними осуществляется за счет конвекции. Системы CHS обычно используют стандартные коллекторы плоского типа или вакуумные трубчатые коллекторы. Для правильной работы конвекции накопительный бак должен быть расположен над коллекторами. Главное преимущество систем CHS перед системами ICS заключается в том, что потери тепла в значительной степени избегаются, поскольку накопительный бак может быть полностью изолирован. Поскольку панели расположены под накопительным баком, потери тепла не вызывают конвекции, поскольку холодная вода остается в самой нижней части системы.
В системах с антифризом под давлением для HTF используется смесь антифриза (почти всегда малотоксичного пропиленгликоля) и воды с целью предотвращения повреждений от замерзания.
Несмотря на эффективность в предотвращении повреждений от замерзания, системы антифриза имеют недостатки:
Система обратного стока — это активная косвенная система, в которой HTF (обычно чистая вода) циркулирует через коллектор, приводимый в действие насосом. Коллекторный трубопровод не находится под давлением и включает в себя открытый резервуар обратного стока, который содержится в кондиционированном или полукондиционированном пространстве. HTF остается в резервуаре обратного стока, если насос не работает, и возвращается туда (опорожняя коллектор), когда насос выключен. Коллекторная система, включая трубопровод, должна стекать под действием силы тяжести в резервуар обратного стока. Системы обратного стока не подвержены замерзанию или перегреву. Насос работает только тогда, когда это необходимо для сбора тепла, но не для защиты HTF, что повышает эффективность и снижает затраты на перекачку. [22]
Планы солнечных водонагревательных систем доступны в Интернете. [23] Самодельные системы SWH обычно дешевле коммерческих, и они используются как в развитых, так и в развивающихся странах. [24] [25]
Солнечные тепловые коллекторы улавливают и сохраняют тепло солнца и используют его для нагрева жидкости. [27] Два важных физических принципа управляют технологией солнечных тепловых коллекторов:
Плоские коллекторы являются продолжением идеи размещения коллектора в коробке, похожей на «духовку», со стеклом, обращенным прямо к Солнцу. [29] Большинство плоских коллекторов имеют две горизонтальные трубы сверху и снизу, называемые коллекторами, и множество меньших вертикальных труб, соединяющих их, называемых стояками. Стояки приварены (или аналогичным образом соединены) к тонким ребрам абсорбера. Теплоноситель (вода или смесь воды и антифриза) закачивается из резервуара для хранения горячей воды или теплообменника в нижний коллектор коллектора и перемещается вверх по стоякам, собирая тепло с ребер абсорбера, а затем выходит из коллектора через верхний коллектор. Змеевидные плоские коллекторы немного отличаются от этой конструкции «арфы» и вместо этого используют одну трубу, которая перемещается вверх и вниз по коллектору. Однако, поскольку из них невозможно должным образом слить воду, змеевидные плоские коллекторы не могут использоваться в системах обратного стока.
Тип стекла, используемого в плоских коллекторах, почти всегда представляет собой закаленное стекло с низким содержанием железа . Такое стекло может выдерживать значительный град без разрушения, что является одной из причин, по которой плоские коллекторы считаются наиболее прочным типом коллекторов.
Неглазурованные или формованные коллекторы похожи на плоские коллекторы, за исключением того, что они не имеют тепловой изоляции и не защищены физически стеклянной панелью. Следовательно, эти типы коллекторов гораздо менее эффективны, когда температура воды превышает температуру окружающего воздуха. Для систем подогрева бассейнов вода, которую нужно нагреть, часто холоднее, чем температура окружающей среды на крыше, и в этот момент отсутствие теплоизоляции позволяет извлекать дополнительное тепло из окружающей среды. [30]
.JPG/1280px-Sistema_por_Hidroneumatico_(Calentador_solar_para_alta_presi%C3%B3n).JPG)
Вакуумные трубчатые коллекторы (ETC) являются способом снижения потерь тепла, [29] присущих плоским пластинам. Поскольку потери тепла из-за конвекции не могут пересекать вакуум, они образуют эффективный механизм изоляции для сохранения тепла внутри труб коллектора. [31] Поскольку два плоских стеклянных листа, как правило, недостаточно прочны, чтобы выдерживать вакуум, вакуум создается между двумя концентрическими трубками. Внутренняя трубка покрыта теплопоглотителем. [32] Срок службы вакуума варьируется от коллектора к коллектору, от 5 до 15 лет.
Кроме того, вакуумные трубки содержат очень эффективную внутреннюю систему для передачи тепла от трубок к воде в коллекторе в верхней части массива. Она состоит из медной трубки, частично заполненной летучей жидкостью, запечатанной с обоих концов и спускающейся по центру трубки. Верхний конец этой трубки вставляется в гнездо в (заполненном водой) коллекторе. Тепло, поглощаемое вакуумной трубкой, заставляет часть летучей жидкости в медной трубке испаряться и проходить в коллектор. Затем в коллекторе газ конденсируется, выделяя там тепло, и жидкость стекает обратно вниз внутри трубки. Поскольку сами вакуумные трубки не содержат воды, они не подвержены замерзанию. Вода проходит только через теплоизолированный коллектор, и в климате с умеренными морозами не требуется система слива.
Также стоит отметить, что поскольку ETC (также) открыты с нижней стороны: если они установлены выше крыши (как на иллюстрации), они будут улавливать не только прямое тепло сверху, но и тепло, излучаемое окружающей крышей с нижней стороны.
Плоские коллекторы обычно более эффективны, чем ETC в условиях полного солнечного света. Однако выход энергии плоских коллекторов немного снижается, чем ETC в облачных или очень холодных условиях. [29] Большинство ETC изготавливаются из отожженного стекла, которое восприимчиво к граду , разрушаясь при наличии частиц размером примерно с мяч для гольфа. ETC, изготовленные из «коксового стекла», имеющего зеленый оттенок, прочнее и с меньшей вероятностью теряют свой вакуум, но эффективность немного снижается из-за сниженной прозрачности. ETC могут собирать энергию от солнца в течение всего дня под низкими углами из-за своей трубчатой формы. [33]
Один из способов питания активной системы — через фотоэлектрическую (PV) панель . Чтобы обеспечить надлежащую производительность и долговечность насоса, насос (DC) и PV панель должны быть соответствующим образом согласованы. Хотя насос с питанием от PV не работает ночью, контроллер должен гарантировать, что насос не будет работать, когда солнце светит, а вода в коллекторе недостаточно горячая.
Фотоэлектрические насосы обладают следующими преимуществами:
Пузырьковый насос (также известный как гейзерный насос) подходит как для систем с плоскими панелями, так и для вакуумных трубок. В системе пузырькового насоса замкнутый контур HTF находится под пониженным давлением, что заставляет жидкость кипеть при низкой температуре, поскольку солнце нагревает ее. Пузырьки пара образуют гейзер, вызывая восходящий поток. Пузырьки отделяются от горячей жидкости и конденсируются в самой высокой точке контура, после чего жидкость течет вниз к теплообменнику, вызванному разницей в уровнях жидкости. [35] [36] [37] HTF обычно поступает в теплообменник при 70 °C и возвращается в циркуляционный насос при 50 °C. Перекачка обычно начинается примерно при 50 °C и увеличивается по мере восхода солнца, пока не будет достигнуто равновесие.
Дифференциальный контроллер определяет разницу температур между водой, выходящей из солнечного коллектора, и водой в баке-накопителе около теплообменника. Контроллер запускает насос, когда вода в коллекторе становится на 8–10 °C теплее воды в баке, и останавливает его, когда разница температур достигает 3–5 °C. Это гарантирует, что хранимая вода всегда нагревается при работе насоса, и предотвращает чрезмерное включение и выключение насоса. (В прямых системах насос может запускаться при разнице около 4 °C, поскольку у них нет теплообменника.)
Самый простой коллектор — это заполненный водой металлический бак в солнечном месте. Солнце нагревает бак. Так работали первые системы. [5] Такая установка была бы неэффективной из-за эффекта равновесия: как только начинается нагрев бака и воды, полученное тепло теряется в окружающую среду, и это продолжается до тех пор, пока вода в баке не достигнет температуры окружающей среды. Задача состоит в том, чтобы ограничить потерю тепла.
ICS или пакетные коллекторы уменьшают потери тепла за счет теплоизоляции бака. [29] [38] Это достигается путем помещения бака в стеклянную коробку, которая позволяет теплу от солнца достигать бака с водой. [39] Другие стенки коробки теплоизолированы, что снижает конвекцию и излучение. [40] Коробка также может иметь отражающую поверхность внутри. Это отражает тепло, потерянное из бака, обратно в бак. Проще говоря, солнечный водонагреватель ICS можно рассматривать как бак с водой, который был заключен в своего рода «духовку», которая сохраняет тепло от солнца, а также тепло воды в баке. Использование коробки не устраняет потери тепла из бака в окружающую среду, но в значительной степени снижает эти потери.
Стандартные коллекторы ICS имеют характеристику, которая сильно ограничивает эффективность коллектора: малое отношение поверхности к объему. [41] Поскольку количество тепла, которое бак может поглотить от солнца, в значительной степени зависит от поверхности бака, непосредственно подверженной воздействию солнца, следует, что размер поверхности определяет степень, в которой вода может быть нагрета солнцем. Цилиндрические объекты, такие как бак в коллекторе ICS, имеют изначально малое отношение поверхности к объему. Коллекторы пытаются увеличить это отношение для эффективного нагрева воды. Вариации этой базовой конструкции включают коллекторы, которые объединяют меньшие емкости для воды и технологию вакуумированных стеклянных трубок, тип системы ICS, известный как коллектор с вакуумированными трубками (ETB). [29]
ETSC могут быть более полезны, чем другие солнечные коллекторы в зимний сезон. ETC могут использоваться для отопления и охлаждения в таких отраслях, как фармацевтическая и фармацевтическая, бумажная, кожевенная и текстильная, а также для жилых домов, больниц, домов престарелых, гостиниц, бассейнов и т. д.
ETC может работать в диапазоне температур от средних до высоких для солнечного нагрева воды, бассейнов, кондиционирования воздуха и солнечных плит.
Более высокий диапазон рабочих температур ETC (до 200 °C (392 °F)) делает их пригодными для промышленного применения, например, в парогенераторах, тепловых двигателях и солнечной сушке.
Для подогрева бассейна используются плавающие системы покрытия бассейнов и отдельные СТК.
Системы покрытия бассейна, будь то сплошные листы или плавающие диски, действуют как изоляция и уменьшают потери тепла. Большая часть потерь тепла происходит через испарение, а использование покрытия замедляет испарение.
STC для использования непитьевой воды в бассейне часто изготавливаются из пластика. Вода в бассейне умеренно едкая из-за хлора. Вода циркулирует через панели с использованием существующего фильтра бассейна или дополнительного насоса. В мягких условиях неглазурованные пластиковые коллекторы более эффективны в качестве прямой системы. В холодных или ветреных условиях вакуумные трубки или плоские пластины в непрямой конфигурации используются в сочетании с теплообменником. Это снижает коррозию. Довольно простой дифференциальный регулятор температуры используется для направления воды в панели или теплообменник либо путем поворота клапана, либо путем включения насоса. Как только вода в бассейне достигает требуемой температуры, используется распределительный клапан для возврата воды непосредственно в бассейн без нагрева. [42] Многие системы сконфигурированы как системы обратного слива, где вода сливается в бассейн, когда водяной насос выключен.
Панели коллекторов обычно устанавливаются на близлежащей крыше или на земле на наклонной стойке. Из-за небольшой разницы температур между воздухом и водой панели часто формируются в коллекторы или неглазурованные плоские пластинчатые коллекторы. Простое практическое правило для требуемой площади панели составляет 50% от площади поверхности бассейна. [42] Это для областей, где бассейны используются только в летний сезон. Добавление солнечных коллекторов к обычному открытому бассейну в холодном климате обычно может продлить комфортное использование бассейна на несколько месяцев и более, если используется изолирующее покрытие для бассейна. [30] При расчете на 100% покрытие большинство солнечных систем горячего водоснабжения способны нагревать бассейн в любом месте от 4 °C для бассейна, открытого для ветра, до 10 °C для защищенного от ветра бассейна, постоянно покрытого солнечным одеялом для бассейна. [43]
Для оптимизации системы солнечного подогрева бассейна до ее строительства можно использовать программу анализа активной солнечной энергетической системы .
Количество тепла, поставляемого солнечной водонагревательной системой, зависит в первую очередь от количества тепла, поставляемого солнцем в определенном месте ( инсоляция ). В тропиках инсоляция может быть относительно высокой, например, 7 кВт·ч/м² в день, по сравнению, например, с 3,2 кВт·ч/м² в день в умеренных зонах. Даже на одной и той же широте средняя инсоляция может сильно различаться от места к месту из-за различий в местных погодных условиях и количестве пасмурных дней. Для оценки инсоляции на месте доступны калькуляторы. [44] [45] [46]
Ниже приведена таблица, которая дает приблизительное представление о технических характеристиках и энергии, которые можно ожидать от солнечной водонагревательной системы, включающей около 2 м 2 площади абсорбера коллектора, демонстрируя две вакуумные трубки и три плоские пластинчатые солнечные водонагревательные системы. Используются данные сертификации или цифры, рассчитанные на основе этих данных. В двух нижних строках даны оценки ежедневного производства энергии (кВт·ч/день) для тропического и умеренного сценариев. Эти оценки предназначены для нагрева воды до 50 °C выше температуры окружающей среды.
В большинстве систем солнечного нагрева воды выходная мощность линейно зависит от площади поверхности коллектора. [47]
Цифры для вышеуказанных коллекторов довольно схожи, вырабатывая около 4 кВт·ч/день в умеренном климате и около 8 кВт·ч/день в тропическом климате при использовании коллектора с поглотителем площадью 2 м² . В умеренном климате этого достаточно для нагрева 200 литров воды примерно на 17 °C. В тропическом климате эквивалентный нагрев составит около 33 °C. Многие термосифонные системы имеют сопоставимую выходную энергию с эквивалентными активными системами. Эффективность вакуумных трубчатых коллекторов несколько ниже, чем у плоских пластинчатых коллекторов, поскольку поглотители уже трубок, а между трубками есть пространство, что приводит к значительно большему проценту неактивной общей площади коллектора. Некоторые методы сравнения [48] рассчитывают эффективность вакуумных трубчатых коллекторов на основе фактической площади поглотителя, а не занимаемого пространства, как это было сделано в таблице выше. Эффективность снижается при более высоких температурах.
В солнечных, теплых местах, где защита от замерзания не требуется, солнечный водонагреватель ICS (пакетного типа) может быть экономически эффективным. [40] В более высоких широтах требования к конструкции для холодной погоды увеличивают сложность и стоимость системы. Это увеличивает первоначальные затраты, но не затраты на жизненный цикл. Поэтому самым большим соображением являются большие первоначальные финансовые затраты на солнечные водонагревательные системы. [49] Компенсация этих расходов может занять годы. [50] Срок окупаемости больше в умеренных условиях. [51] Поскольку солнечная энергия бесплатна, эксплуатационные расходы невелики. В более высоких широтах солнечные нагреватели могут быть менее эффективными из-за более низкой инсоляции, возможно, требуя более крупных и/или двойных систем отопления. [51] В некоторых странах государственные стимулы могут быть значительными.
Факторы стоимости (положительные и отрицательные) включают в себя:
Сроки окупаемости могут значительно различаться из-за регионального солнца, дополнительных затрат из-за необходимости защиты коллекторов от замерзания, использования горячей воды для бытовых нужд и т. д. Например, в центральной и южной Флориде срок окупаемости может легко составить 7 лет или меньше, а не 12,6 лет, указанных на диаграмме для Соединенных Штатов. [52]
Срок окупаемости короче при большей инсоляции. Однако даже в умеренных зонах солнечный водонагреватель экономически эффективен. Срок окупаемости фотоэлектрических систем исторически был намного дольше. [51] Затраты и срок окупаемости короче, если не требуется дополнительная/резервная система. [50] таким образом, срок окупаемости такой системы увеличивается.
В Австралии действует система кредитов на возобновляемую энергию, основанная на национальных целях в области возобновляемой энергии. [56]
Инициатива Toronto Solar Neighbourhoods предлагает субсидии на покупку солнечных водонагревателей. [66]
Источник электроэнергии в активной системе SWH определяет степень, в которой система вносит вклад в атмосферный углерод во время работы. Активные солнечные тепловые системы, которые используют сетевое электричество для прокачки жидкости через панели, называются «низкоуглеродными солнечными». В большинстве систем прокачка снижает экономию энергии примерно на 8%, а экономию углерода солнечной энергией примерно на 20%. [67] Однако маломощные насосы работают с 1-20 Вт. [68] [69] Если предположить, что панель солнечного коллектора вырабатывает 4 кВт·ч/день, а насос работает с перерывами от сетевого электричества в течение 6 часов в течение 12-часового солнечного дня, потенциально негативное влияние такого насоса можно снизить примерно до 3% от вырабатываемого тепла.
Однако активные солнечные тепловые системы на базе фотоэлектрических модулей обычно используют фотоэлектрическую панель мощностью 5–30 Вт и небольшой маломощный мембранный насос или центробежный насос для циркуляции воды. Это снижает эксплуатационный углеродный и энергетический след.
Альтернативные неэлектрические насосные системы могут использовать тепловое расширение и фазовые переходы жидкостей и газов.
Признанные стандарты могут использоваться для предоставления надежных и количественных оценок жизненного цикла (LCA). LCA учитывает финансовые и экологические затраты на приобретение сырья, производство, транспортировку, использование, обслуживание и утилизацию оборудования. Элементы включают:
Что касается потребления энергии, то около 60% уходит в бак, а 30% — в коллектор [70] (в данном случае — в плоскую пластину термосифона). В Италии [71] около 11 гигаджоулей электроэнергии тратится на производство оборудования SWH, около 35% уходит в бак, а еще 35% — в коллектор. Основное воздействие, связанное с энергией, — это выбросы. Энергия, используемая в производстве, восстанавливается в течение первых 2–3 лет использования (в Южной Европе).
Напротив, в Великобритании сообщается, что срок окупаемости энергии составляет всего 2 года. Эта цифра относится к прямой системе, модернизированной к существующему водохранилищу, с насосом PV, устойчивой к замерзанию и с апертурой 2,8 кв. м. Для сравнения, согласно тому же сравнительному исследованию, для достижения окупаемости энергии PV-установке потребовалось около 5 лет. [72]
Что касается выбросов CO2 , большая часть сэкономленных выбросов зависит от степени использования газа или электричества в дополнение к солнцу. Используя систему баллов Eco-indicator 99 в качестве критерия (т. е. годовую нагрузку на окружающую среду среднестатистического жителя Европы) в Греции [70] , чисто газовая система может иметь меньше выбросов, чем солнечная система. Этот расчет предполагает, что солнечная система производит около половины потребностей в горячей воде домохозяйства. Но поскольку выбросы метана (CH4 ) из топливного цикла природного газа [73] затмевают парниковый эффект CO2 , чистые выбросы парниковых газов (CO2e ) от газовых систем значительно больше, чем от солнечных нагревателей, особенно если дополнительная электроэнергия также вырабатывается без выбросов углерода. [ требуется ссылка ]
Тестовая система в Италии произвела около 700 кг CO 2 , учитывая все компоненты производства, использования и утилизации. Техническое обслуживание было определено как затратная по выбросам деятельность, когда была заменена теплоноситель (на основе гликоля). Однако стоимость выбросов была возмещена в течение примерно двух лет использования оборудования. [71]
В Австралии выбросы за жизненный цикл также были восстановлены. Испытанная система SWH имела около 20% воздействия электрического водонагревателя и половину воздействия газового водонагревателя. [50]
Анализируя свою модернизированную морозоустойчивую солнечную водонагревательную систему с меньшим воздействием, Аллен и др. (qv) сообщили о воздействии на производство CO2 в размере 337 кг, что составляет примерно половину воздействия на окружающую среду, указанного в исследовании Арденте и др. (qv).
Все соответствующие участники крупномасштабной программы возобновляемой энергии и маломасштабной программы возобновляемой энергии должны соблюдать вышеуказанные законы. [75]
{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)