Солнечное отопление воды ( SWH ) – это нагрев воды солнечным светом с использованием солнечного теплового коллектора . Доступны различные конфигурации по разной цене 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 дальнейшего использования. SWH бывают активными (накачиваемыми) и пассивными ( конвекционными ). В них используется только вода или и вода, и рабочая жидкость. Они нагреваются напрямую или через светоконцентрирующие зеркала. Они работают независимо или как гибриды с электрическими или газовыми обогревателями. [3] В крупномасштабных установках зеркала могут концентрировать солнечный свет в коллектор меньшего размера. [ оригинальное исследование? ]
По состоянию на 2017 год мировая тепловая мощность солнечных батарей (SHW) составляет 472 ГВт , и на рынке доминируют Китай , США и Турция . [4] Барбадос , Австрия , Кипр , Израиль и Греция являются ведущими странами по вместимости на человека. [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] и включают окрашенный в черный цвет резервуар, установленный на крыше. В 1896 году Кларенс Кемп из Балтимора заключил резервуар в деревянный ящик, создав таким образом первый «водонагреватель периодического действия», известный 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 (6 000 галлонов США) воды в минуту из реки Нил в прилегающие хлопковые поля.
Плоские коллекторы для солнечного нагрева воды использовались во Флориде и Южной Калифорнии в 1920-х годах. Интерес к Северной Америке вырос 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 на душу населения по использованию солнечных систем нагрева воды, обеспечивающих 30–40% домов. [6]
Плоские солнечные системы были усовершенствованы и широко использовались в Израиле. В 1950-х годах из-за нехватки топлива правительство запретило нагревать воду с 22:00 до 6:00. Леви Иссар построил первый прототип израильского солнечного водонагревателя, а в 1953 году основал компанию NerYah, первого коммерческого производителя солнечного водонагревателя в Израиле. [7] К 1967 году солнечные водонагреватели использовали 20% населения. После энергетического кризиса 1970-х годов в 1980 году Израиль потребовал установки солнечных водонагревателей во всех новых домах (за исключением высоких башен с недостаточной площадью крыш). [8] В результате Израиль стал мировым лидером по использованию солнечной энергии на душу населения : 85% домохозяйств используют солнечные тепловые системы (3% первичного национального потребления энергии), [9] что, по оценкам, сэкономит стране 2 миллиона долларов. баррелей (320 000 м 3 ) нефти в год. [10] [11]
В 2005 году Испания стала первой страной в мире, которая потребовала установки фотоэлектрических систем выработки электроэнергии в новых зданиях, и второй (после Израиля) страной, которая потребовала установки солнечных систем нагрева воды, в 2006 году. [12]
После 1960 года системы начали продаваться в Японии. [5]
В Австралии действует множество национальных, государственных и нормативных актов в отношении солнечной тепловой энергии, начиная с MRET в 1997 году. [13] [14] [15]
Солнечные системы нагрева воды популярны в Китае, где базовые модели начинаются примерно с 1500 юаней (235 долларов США), что примерно на 80% меньше, чем в западных странах для коллектора данного размера. По крайней мере, в 30 миллионах китайских семей он есть. Популярность обусловлена эффективными вакуумными трубками, которые позволяют обогревателям работать даже под серым небом и при температуре значительно ниже нуля. [16]
Тип, сложность и размер солнечной системы нагрева воды в основном определяются:
Минимальные требования к системе обычно определяются количеством или температурой горячей воды, необходимой зимой, когда производительность системы и температура входящей воды обычно минимальны. Максимальная производительность системы определяется необходимостью предотвращения перегрева воды в системе.
Меры защиты от замерзания предотвращают повреждение системы из-за расширения замерзающей транспортирующей жидкости. Системы обратного слива сливают перекачивающую жидкость из системы при остановке насоса. Во многих непрямых системах в качестве теплоносителя используется антифриз (например, пропиленгликоль ).
В некоторых прямых системах коллекторы можно опорожнить вручную, когда ожидается замерзание. Этот подход распространен в климате, где отрицательные температуры случаются нечасто, но может быть менее надежным, чем автоматическая система, поскольку она полагается на оператора.
Третий тип защиты от замерзания — это морозоустойчивость, при которой водопроводные трубы низкого давления из силиконовой резины просто расширяются при замерзании. Один из таких коллекционеров теперь имеет аккредитацию European Solar Keymark.
Если горячая вода не использовалась в течение дня или двух, жидкость в коллекторах и накопителях может достигать высоких температур во всех системах без «обратного слива». Когда накопительный бак в системе «обратного слива» достигает желаемой температуры, насосы останавливаются, прекращая процесс нагрева и тем самым предотвращая перегрев накопительного бака.
Некоторые активные системы намеренно охлаждают воду в накопительном баке, циркулируя горячую воду через коллектор в периоды, когда мало солнечного света или ночью, теряя тепло. Это наиболее эффективно при прямом или термическом водопроводе и практически неэффективно в системах, в которых используются вакуумные трубчатые коллекторы из-за их превосходной изоляции. Любой тип коллектора все равно может перегреться. Герметичные солнечные тепловые системы высокого давления в конечном итоге полагаются на работу предохранительных клапанов температуры и давления . Нагреватели низкого давления с открытой вентиляцией имеют более простые и надежные средства безопасности, обычно с открытой вентиляцией.
Простые конструкции включают в себя простую изолированную коробку со стеклянной крышкой и плоским солнечным поглотителем из листового металла темного цвета, прикрепленным 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 сохраняется в резервуаре для хранения горячей воды . Объем этого резервуара должен быть больше при использовании систем солнечного отопления, чтобы компенсировать плохую погоду [ необходимо разъяснение ] и потому, что оптимальная конечная температура для солнечного коллектора [ необходимо разъяснение ] ниже, чем у типичного погружного или пламенного нагревателя. Жидким теплоносителем (HTF) для абсорбера может быть вода, но чаще (по крайней мере, в активных системах) это отдельный контур жидкости, содержащий антифриз и ингибитор коррозии , передающий тепло в резервуар через теплообменник (обычно змеевик медных трубок теплообменника внутри резервуара). Медь является важным компонентом систем солнечного теплового отопления и охлаждения из-за ее высокой теплопроводности, устойчивости к атмосферной и водной коррозии, герметизации и соединения пайкой, а также механической прочности. Медь используется как в ресиверах, так и в первичных контурах (трубах и теплообменниках резервуаров для воды). [17]
«Обратный дренаж» — еще одна концепция, требующая меньшего обслуживания. [18] Антифриз не требуется; вместо этого все трубопроводы имеют наклон, чтобы вода стекала обратно в резервуар. Резервуар не находится под давлением и работает при атмосферном давлении. Как только насос выключается, поток меняется на противоположное, и трубы опорожняются до того, как может произойти замерзание.
Бытовые солнечные тепловые установки делятся на две группы: пассивные (иногда называемые «компактными») и активные (иногда называемые «насосными») системы. Оба обычно включают в себя вспомогательный источник энергии (электрический нагревательный элемент или подключение к системе центрального отопления, работающей на газе или мазуте), который активируется, когда температура воды в резервуаре падает ниже минимальной настройки, 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 необходимости удовлетворения дополнительных потребностей в тепле солнечной системы нагрева воды за счет ископаемого топлива. или электричество.
При совместном использовании системы солнечного нагрева воды и системы центрального отопления с горячей водой солнечное тепло будет либо концентрироваться в резервуаре предварительного нагрева, который подается в резервуар, нагреваемый 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 солнечная энергия ниже. Таким образом, солнечный нагрев воды для мытья и купания часто является лучшим применением, чем центральное отопление, поскольку спрос и предложение лучше согласованы. Во многих климатических условиях солнечная система горячего водоснабжения может обеспечить до 85% энергии для горячего водоснабжения. Сюда могут входить бытовые неэлектрические концентрирующие солнечные тепловые системы. Во многих странах Северной Европы комбинированные системы горячего водоснабжения и отопления ( солнечные комбинированные системы ) используются для обеспечения от 15 до 25% энергии для отопления домов. В сочетании с хранением тепла крупномасштабное солнечное отопление может обеспечить 50-97% годового потребления тепла для централизованного теплоснабжения . [20] [21]
В системах прямого или открытого цикла питьевая вода циркулирует через коллекторы. Они относительно дешевы. К недостаткам относятся:
Появление морозостойких конструкций расширило рынок SWH для более холодного климата. В условиях замерзания более ранние модели были повреждены, когда вода превратилась в лед, что привело к разрыву одного или нескольких компонентов.
В системах с непрямым или замкнутым контуром для передачи тепла от «жидкого теплоносителя» (HTF) к питьевой воде используется теплообменник. Наиболее распространенным HTF является смесь антифриза и воды, в которой обычно используется нетоксичный пропиленгликоль . После нагрева в панелях HTF поступает в теплообменник, где его тепло передается питьевой воде. Непрямые системы обеспечивают защиту от замерзания и, как правило, защиту от перегрева.
Пассивные системы полагаются на тепловую конвекцию или тепловые трубы для циркуляции рабочей жидкости. Пассивные системы стоят дешевле и требуют минимального обслуживания или вообще не требуют его, но менее эффективны. Серьезными проблемами являются перегрев и замерзание.
Активные системы используют один или несколько насосов для циркуляции воды и/или теплоносителя . Это позволяет использовать гораздо более широкий диапазон конфигураций системы.
Насосные системы дороже в покупке и эксплуатации. Однако они работают с более высокой эффективностью и их легче контролировать.
Активные системы имеют контроллеры с такими функциями, как взаимодействие с резервным электрическим или газовым водонагревателем, расчет и регистрация сэкономленной энергии, функции безопасности, удаленный доступ и информативные дисплеи.
В системе интегрированного коллекторного хранения (ICS или периодического нагревателя) используется резервуар, который действует как хранилище и коллектор. Нагреватели периодического действия представляют собой тонкие прямолинейные резервуары со стеклянной стороной, обращенной к Солнцу в полдень . Они просты и дешевле, чем пластинчатые и трубчатые коллекторы, но при установке на крыше могут потребоваться распорки (для выдерживания 400–700 фунтов (180–320 кг) фунтов воды), страдают от значительных потерь тепла в ночное время, поскольку боковые обращенные к солнцу, в основном неизолированы и подходят только для умеренного климата.
Система конвекционного аккумулирования тепла (CHS) аналогична системе ICS, за исключением того, что резервуар для хранения и коллектор физически разделены, и передача между ними осуществляется за счет конвекции. В системах CHS обычно используются стандартные плоские коллекторы или коллекторы с вакуумными трубками. Для правильной работы конвекции накопительный бак должен располагаться над коллекторами. Основное преимущество систем CHS перед системами ICS заключается в том, что потери тепла в значительной степени исключаются, поскольку резервуар для хранения 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 антифриза под давлением используется смесь антифриза (почти всегда малотоксичного пропиленгликоля) и водной смеси для HTF, чтобы предотвратить повреждение от замерзания.
Хотя системы антифриза эффективны в предотвращении повреждений от замерзания, у них есть недостатки:
Система обратного дренажа — это активная непрямая система, в которой HTF (обычно чистая вода) циркулирует через коллектор под действием насоса. Трубопровод коллектора не находится под давлением и включает в себя открытый дренажный резервуар, находящийся в кондиционируемом или полукондиционированном пространстве. HTF остается в сливном резервуаре, пока насос не работает, и возвращается туда (опорожняя коллектор) при выключении насоса. Коллекторная система, включая трубопроводы, должна стекать под действием силы тяжести в обратный резервуар. Дренажные системы не подвержены замерзанию или перегреву. Насос работает только тогда, когда это необходимо для сбора тепла, а не для защиты HTF, что повышает эффективность и снижает затраты на перекачку. [22]
Планы солнечных систем нагрева воды доступны в Интернете. [23] Системы SWH, сделанные своими руками, 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 определяют технологию солнечных тепловых коллекторов:
Плоские пластинчатые коллекторы являются продолжением идеи поместить коллектор в коробку, похожую на духовку, со стеклом, обращенным прямо к Солнцу. [29] Большинство плоских коллекторов имеют две горизонтальные трубы сверху и снизу, называемые коллекторами, и множество соединяющих их вертикальных труб меньшего размера, называемых стояками. Стояки приварены (или соединены аналогичным образом) к тонким ребрам абсорбера. Жидкий теплоноситель (вода или смесь воды и антифриза) перекачивается из бака для хранения горячей воды или теплообменника в нижний коллектор коллекторов, поднимается вверх по стоякам, собирая тепло от ребер абсорбера, а затем выходит из коллектора. верхнего заголовка. Змеевидные плоские коллекторы немного отличаются от этой конструкции «арфы» и вместо этого используют одну трубу, которая проходит вверх и вниз по коллектору. Однако, поскольку змеевидные плоские пластинчатые коллекторы не могут быть должным образом слиты с водой, их нельзя использовать в системах обратного дренажа.
Тип стекла, используемого в плоских коллекторах, почти всегда представляет собой закаленное стекло с низким содержанием железа . Такое стекло может выдержать сильный град, не разбиваясь, что является одной из причин того, что плоские коллекторы считаются наиболее долговечным типом коллекторов.
Неглазурованные или формованные коллекторы аналогичны плоским коллекторам, за исключением того, что они не теплоизолированы и не защищены физически стеклянной панелью. Следовательно, эти типы коллекторов гораздо менее эффективны, когда температура воды превышает температуру окружающего воздуха. При нагреве бассейна вода, которую необходимо нагреть, часто бывает холоднее, чем температура окружающей среды на крыше, и в этот момент отсутствие теплоизоляции позволяет дополнительно отбирать тепло из окружающей среды. [30]
.JPG/1280px-Sistema_por_Hidroneumatico_(Calentador_solar_para_alta_presi%C3%B3n).JPG)
Вакуумные трубчатые коллекторы (ЕТК) – это способ снизить теплопотери, [29] присущие плоским пластинам. Поскольку потери тепла из-за конвекции не могут пересекать вакуум, они образуют эффективный изолирующий механизм, удерживающий тепло внутри труб коллектора. [31] Поскольку два плоских листа стекла обычно недостаточно прочны, чтобы выдерживать вакуум, вакуум создается между двумя концентрическими трубками. Обычно водяной трубопровод в ETC окружен двумя концентрическими стеклянными трубками, разделенными вакуумом, который пропускает солнечное тепло (для нагрева трубы), но ограничивает потери тепла. Внутренняя трубка покрыта термопоглотителем. [32] Срок службы в вакууме варьируется от коллектора к коллектору: от 5 до 15 лет.
Плоские пластинчатые коллекторы, как правило, более эффективны, чем ETC, в условиях яркого солнечного света. Однако в облачных или очень холодных условиях выходная мощность плоских пластинчатых коллекторов снижается немного больше, чем у ETC. [29] Большинство ETC сделаны из отожженного стекла, которое подвержено воздействию града и не справляется с частицами размером примерно с мяч для гольфа. ЭТК, изготовленные из «коксового стекла», имеющего зеленый оттенок, прочнее и с меньшей вероятностью теряют вакуум, но эффективность немного снижается из-за снижения прозрачности. Внеземные цивилизации могут собирать энергию Солнца в течение всего дня под небольшими углами благодаря своей трубчатой форме. [33]
Одним из способов питания активной системы является использование фотоэлектрической (PV) панели . Чтобы обеспечить надлежащую производительность и долговечность насоса, насос (постоянного тока) и фотоэлектрическая панель должны быть правильно подобраны. Хотя насос с фотоэлектрическим питанием не работает ночью, контроллер должен гарантировать, что насос не работает, когда светит солнце, а вода в коллекторе недостаточно горячая.
Фотоэлектрические насосы обладают следующими преимуществами:
Пузырьковый насос (также известный как гейзерный насос) подходит для систем с плоскими панелями, а также для вакуумных трубок. В системе пузырькового насоса замкнутый контур HTF находится под пониженным давлением, что приводит к кипению жидкости при низкой температуре, поскольку ее нагревает солнце. Пузырьки пара образуют гейзер, вызывая восходящий поток. Пузырьки отделяются от горячей жидкости и конденсируются в самой высокой точке контура, после чего жидкость стекает вниз к теплообменнику из-за разницы уровней жидкости. [35] [36] [37] HTF обычно поступает в теплообменник при температуре 70 °C и возвращается в циркуляционный насос при температуре 50 °C. Откачка обычно начинается примерно при 50 °C и увеличивается с восходом солнца, пока не будет достигнуто равновесие.
Дифференциальный контроллер определяет разницу температур между водой, выходящей из солнечного коллектора, и водой в накопительном баке рядом с теплообменником. Контроллер запускает насос, когда вода в коллекторе становится примерно на 8–10 °C теплее, чем вода в резервуаре, и останавливает его, когда разница температур достигает 3–5 °C. Это гарантирует, что хранимая вода всегда нагревается во время работы насоса, и предотвращает чрезмерное циклическое включение и выключение насоса. (В прямых системах насос может срабатывать при разнице около 4 °C, поскольку в них нет теплообменника.)
Самый простой коллектор – это металлический резервуар, наполненный водой, расположенный в солнечном месте. Солнце нагревает танк. Так работали первые системы. [5] Такая установка была бы неэффективной из-за эффекта равновесия: как только начинается нагрев резервуара и воды, полученное тепло теряется в окружающую среду, и это продолжается до тех пор, пока вода в резервуаре не достигнет температуры окружающей среды. Задача состоит в том, чтобы ограничить потери тепла.
ICS или коллекторы периодического действия уменьшают потери тепла за счет теплоизоляции резервуара. [29] [38] Это достигается путем помещения резервуара в коробку со стеклянной крышкой, которая позволяет солнечному теплу достигать резервуара для воды. [39] Остальные стенки бокса теплоизолированы, что снижает конвекцию и радиацию. [40] Коробка также может иметь отражающую поверхность внутри. Это отражает тепло, потерянное из резервуара, обратно в резервуар. Проще говоря, солнечный водонагреватель ICS можно рассматривать как резервуар для воды, заключенный в своего рода «печь», которая сохраняет тепло солнца, а также тепло воды в резервуаре. Использование короба не исключает потерь тепла из бака в окружающую среду, но в значительной степени снижает эти потери.
Стандартные коллекторы ICS имеют характеристику, которая сильно ограничивает эффективность коллектора: небольшое соотношение поверхности к объему. [41] Поскольку количество тепла, которое резервуар может поглотить от солнца, во многом зависит от поверхности резервуара, непосредственно подвергающейся воздействию солнца, отсюда следует, что размер поверхности определяет степень, до которой вода может быть нагрета солнцем. . Цилиндрические объекты, такие как резервуар в коллекторе ICS, имеют изначально небольшое соотношение поверхности к объему. Коллекторы пытаются увеличить это соотношение для эффективного нагрева воды. Вариации этой базовой конструкции включают коллекторы, которые сочетают в себе меньшие емкости для воды и технологию вакуумных стеклянных трубок, тип системы ICS, известный как коллектор партии вакуумных трубок (ETB). [29]
ETSC могут быть более полезны, чем другие солнечные коллекторы в зимний сезон. ETC можно использовать для отопления и охлаждения в таких отраслях, как фармацевтическая и фармацевтическая, бумажная, кожевенная и текстильная, а также в жилых домах, больницах, домах престарелых, гостиницах, бассейнах и т. д.
ETC может работать в диапазоне температур от средней до высокой для нагрева воды, бассейна, кондиционирования воздуха и солнечной плиты.
Более высокий диапазон рабочих температур ETC (до 200 °C (392 °F)) делает их пригодными для промышленного применения, такого как производство пара, тепловые двигатели и солнечная сушка.
Для подогрева бассейна используются плавающие системы покрытия бассейна и отдельные СТС.
Системы покрытия бассейна, будь то сплошные листы или плавающие диски, действуют как изоляция и уменьшают потери тепла. Большая часть потерь тепла происходит за счет испарения, а использование накрытия замедляет испарение.
STC для использования непитьевой воды в бассейне часто изготавливаются из пластика. Вода в бассейне слегка коррозионна из-за хлора. Вода циркулирует через панели с помощью существующего фильтра бассейна или дополнительного насоса. В мягких условиях неглазурованные пластиковые коллекторы более эффективны в качестве прямой системы. В холодных или ветреных условиях вместе с теплообменником используются вакуумные трубки или плоские пластины непрямой конфигурации. Это уменьшает коррозию. Достаточно простой регулятор дифференциальной температуры используется для направления воды к панелям или теплообменнику путем поворота клапана или включения насоса. Как только вода в бассейне достигает необходимой температуры, используется переключающий клапан для возврата воды непосредственно в бассейн без нагрева. [42] Многие системы сконфигурированы как системы обратного слива, в которых вода сливается в бассейн при выключении водяного насоса.
Коллекторные панели обычно монтируются на ближайшей крыше или на наклонной стойке. Из-за небольшой разницы температур между воздухом и водой панели часто представляют собой коллекторы или неглазурованные плоские коллекторы. Простое эмпирическое правило для необходимой площади панелей составляет 50% площади поверхности бассейна. [42] Это для территорий, где бассейны используются только в летний сезон. Добавление солнечных коллекторов в обычный открытый бассейн в холодном климате обычно может продлить комфортное использование бассейна на месяцы и более, если используется изолирующее покрытие для бассейна. [30] При выборе 100% покрытия большинство солнечных систем горячего водоснабжения способны нагревать бассейн от 4 °C для бассейна, подверженного ветру, до 10 °C для защищенного от ветра бассейна, постоянно накрытого. с солнечным одеялом для бассейна. [43]
Программа анализа активной солнечной энергетической системы может использоваться для оптимизации солнечной системы нагрева бассейна до ее строительства.
Количество тепла, отдаваемого солнечной системой нагрева воды, зависит, прежде всего, от количества тепла, доставляемого солнцем в конкретное место ( инсоляция ). В тропиках инсоляция может быть относительно высокой, например, 7 кВтч/м 2 в день по сравнению, например, с 3,2 кВтч/м 2 в день в регионах с умеренным климатом . Даже на одной и той же широте средняя инсоляция может сильно различаться от места к месту из-за различий в местных погодных условиях и количества облачности. Для расчета инсоляции на объекте доступны калькуляторы . [44] [45] [46]
Ниже приведена таблица, в которой даны приблизительные характеристики и энергия, которую можно ожидать от солнечной системы нагрева воды, включающей площадь абсорбера коллектора около 2 м 2 , демонстрирующая две вакуумные трубчатые и три плоские солнечные системы нагрева воды. Используется сертификационная информация или цифры, рассчитанные на основе этих данных. В двух нижних строках приведены оценки ежедневного производства энергии (кВтч/день) для тропического и умеренного сценариев. Эти оценки относятся к нагреву воды до температуры на 50 °C выше температуры окружающей среды.
В большинстве систем солнечного нагрева воды выходная мощность линейно зависит от площади поверхности коллектора. [47]
Цифры для вышеупомянутых коллекторов довольно схожи: около 4 кВтч/день в умеренном климате и около 8 кВтч/день в тропическом климате при использовании коллектора с поглотителем площадью 2 м 2 . В умеренном климате этого достаточно, чтобы нагреть 200 литров воды примерно на 17 °C. В тропическом сценарии эквивалентное нагревание составит примерно 33 °C. Многие термосифонные системы имеют мощность, сравнимую с эквивалентными активными системами. Эффективность вакуумных трубчатых коллекторов несколько ниже, чем у плоских пластинчатых коллекторов, поскольку поглотители уже трубок, а между трубками имеется 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 приведенной выше таблице. Эффективность снижается при более высоких температурах.
В солнечных и теплых местах, где защита от замерзания не требуется, солнечный водонагреватель ICS (периодического 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 жизненного цикла. Таким образом, самым большим соображением являются большие первоначальные финансовые затраты на солнечные системы нагрева воды. [49] Компенсация этих расходов может занять годы. [50] Срок окупаемости дольше в условиях умеренного климата. [51] Поскольку солнечная энергия бесплатна, эксплуатационные расходы невелики. В более высоких широтах солнечные обогреватели могут быть менее эффективными из-за более низкой инсоляции, что, возможно, потребует более крупных и/или двойных систем отопления. [51] В некоторых странах государственные стимулы могут быть значительными.
Факторы затрат (положительные и отрицательные) включают в себя:
Срок окупаемости может сильно варьироваться в зависимости от солнечного света в регионе, дополнительных затрат, связанных с необходимостью защиты коллекторов от замерзания, использования горячей воды в домашних условиях и т. д. Например, в центральной и южной Флориде период окупаемости может легко составить 7 лет или меньше, а не 12,6 лет, указанных на рис. график для США. [52]
Срок окупаемости короче при большей инсоляции. Однако даже в регионах с умеренным климатом солнечный нагрев воды экономически эффективен. Период окупаемости фотоэлектрических систем исторически был намного дольше. [51] Затраты и срок окупаемости сокращаются, если не требуется дополнительная/резервная система. [50] , что продлевает срок окупаемости такой системы.
В Австралии действует система кредитов на возобновляемую энергию, основанная на национальных целях в области возобновляемых источников энергии. [56]
Инициатива «Солнечные районы Торонто» предлагает субсидии на покупку солнечных водонагревательных установок. [66]
Источник электроэнергии в активной системе SWH определяет степень, в которой система способствует выбросу углерода в атмосферу во время работы. Активные солнечные тепловые системы, использующие сетевое электричество для прокачки жидкости через панели, называются «низкоуглеродными солнечными батареями». В большинстве систем насосная установка снижает экономию энергии примерно на 8%, а сокращение выбросов углерода при использовании солнечной энергии примерно на 20%. [67] Однако насосы малой мощности работают с мощностью 1–20 Вт. [68] [69] Если предположить, что солнечная коллекторная панель производит 4 кВтч/день, а насос работает с перерывами от электросети в общей сложности 6 часов в течение 12-часового солнечного дня, то потенциально негативное воздействие такого насоса можно свести к около 3% производимого тепла.
Однако активные солнечные тепловые системы с фотоэлектрическим питанием обычно используют фотоэлектрическую панель мощностью 5–30 Вт и небольшой диафрагменный насос малой мощности или центробежный насос для циркуляции воды. Это снижает эксплуатационные выбросы углекислого газа и энергии.
Альтернативные неэлектрические насосные системы могут использовать тепловое расширение и фазовые изменения жидкостей и газов.
Признанные стандарты могут использоваться для проведения 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 в себя:
Что касается потребления энергии, около 60% уходит в резервуар, а 30% - в коллектор [70] (в данном случае плоская термосифонная пластина). В Италии [71] при производстве оборудования SWH используется около 11 гигаджоулей электроэнергии, из которых около 35% идет в резервуар, а еще 35% - в коллектор. Основным воздействием, связанным с энергетикой, являются выбросы. Энергия, используемая в производстве, восстанавливается в течение первых 2–3 лет использования (в Южной Европе).
Напротив, срок окупаемости энергии в Великобритании составляет всего 2 года. Эта цифра была для прямой системы, модернизированной для существующего хранилища воды, с фотоэлектрическими насосами, морозоустойчивой и с апертурой 2,8 кв.м. Для сравнения, согласно тому же сравнительному исследованию, фотоэлектрической установке потребовалось около 5 лет, чтобы окупить энергию. [72]
Что касается выбросов CO 2 , значительная часть сэкономленных выбросов зависит от степени использования газа или электричества в качестве дополнения к солнечной энергии. Используя 99-балльную систему Эко-индикатора в качестве критерия (т.е. годовую нагрузку на окружающую среду среднего жителя Европы) в Греции [70] , чисто газовая система может иметь меньше выбросов, чем солнечная система. В этом расчете предполагается, что солнечная система обеспечивает около половины потребностей домохозяйства в горячей воде. Но поскольку выбросы метана (CH 4 ) в топливном цикле природного газа [73] затмевают парниковый эффект CO 2 , чистые выбросы парниковых газов (CO 2 e) от газовых систем значительно выше, чем от солнечных обогревателей, особенно если они являются дополнительными. электричество также производится из безуглеродной генерации. [ нужна цитата ]
Испытательная система в Италии произвела около 700 кг CO 2 с учетом всех компонентов производства, использования и утилизации. Техническое обслуживание было определено как дорогостоящее мероприятие по выбросам при замене теплоносителя (на основе гликоля). Однако затраты на выбросы окупились примерно за два года использования оборудования. [71]
В Австралии также были восстановлены выбросы жизненного цикла. Испытанная система SWH имела около 20% мощности электрического водонагревателя и половину мощности газового водонагревателя. [50]
Анализируя свою модернизированную морозоустойчивую солнечную систему нагрева воды с меньшим воздействием, Аллен и др. (см.) сообщили о воздействии CO 2 при производстве на 337 кг, что составляет примерно половину воздействия на окружающую среду, о котором сообщалось в Ardente et al. (см) исследование.
Все соответствующие участники Цели крупномасштабной возобновляемой энергетики и Схемы маломасштабной возобновляемой энергетики 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)