САМОДЕЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ

   Как правило, на туристических стоянках, домах в деревнях есть бани, где можно подогреть воду, используя дрова. Но часто возникает необходимость получения теплой воды в течение всего периода отдыха. Цель работы – создание солнечного водонагревателя, который можно использовать для нагревания воды в школьных летних палаточных лагерях, при положительных итогах проекта – распространение опыта для создания солнечных водонагревателей на садово-огородных участках.

   Возможности использования экологически чистой повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения привлекают все большее внимание. В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в любом (независимо от широты) месте, около 1 000 Вт/м2. В Лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения ИВТ РАН разработан Атлас распределения ресурсов солнечной энергии по территории России. В нем представлены карты поступления солнечной радиации на неподвижные поверхности, ориентированные различным образом в пространстве для всех регионов за определенные периоды года. 

   На карте приведено среднегодовое распределение ресурсов энергии солнечной радиации, поступающей в среднем за день на 1 м2 площадки южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту (для каждой географической точки это свой угол, при котором суммарное за год поступление энергии солнечной радиации на единичную площадку максимально). Территория Республики Карелия характеризуется среднегодовым поступлением от 3,0 до 3,5 кВт ч/м2 день; поступление в летний период от 3,5 до 4,0 кВт ч/м2 день. Важным фактором, определяющим экономическую эффективность применения солнечных установок, является продолжительность их использования в течение года. Проблема заключается в том, что для территории нашей республики, как и большинства высокоширотных районов различие в поступлении радиации летом и зимой достаточно велико. В этой ситуации возникает вопрос: какие водонагревательные установки наиболее целесообразно предлагать потребителям: сезонные, работающие только в теплый период, или круглый год? Очевидно, что в последнем случае солнечные водонагревательные установки (СВУ) должны иметь большую поверхность солнечных коллекторов для сбора менее интенсивных потоков радиации. Кроме того, в них должен использоваться незамерзающий теплоноситель и, следовательно, дополнительные теплообменники для передачи тепла к воде. Очевидно, что такие агрегаты будут более дорогими и экономически менее привлекательными. 

   Практическая задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы наиболее эффективно "собрать" этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) при наименьших затратах на установку. Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых плоских солнечных коллекторах. Для эффективного преобразования энергии Солнца важно выбрать оптимальный угол наклона солнечного коллектора, при котором суммарное поступление энергии солнечного излучения на приемную поверхность за рассматриваемый период работы максимально. Оптимизация угла позволяет в 1,3-1,5 раза увеличить сбор энергии по сравнению с ее поступлением на горизонтальную поверхность.

   Описание результатов работы. На рисунке показаны схема и фотографии модели солнечного водонагревателя. Змеевик соединен с резервуаром, который служит хранилищем-аккумулятором горячей воды. Ящик со змеевиком поставлен с таким расчетом, чтобы лучи полуденного Солнца падали перпендикулярно поверхности стекла (для нашей местности угол наклона составляет 600). Дно теплового ящика покрашено черной краской, а его противоположная сторона – плотно прижатое к ящику стекло. Резервуар наполняется водой. 

   Принцип работы: при нагревании от солнечной энергии вода в змеевике под действием конвекции начинает подниматься вверх. При этом вода из резервуара по условию непрерывности жидкости будет увлекаться в трубу. Таким образом, происходит циркуляция воды: более горячая вода поднимается вверх по змеевику, попадает в резервуар, а из резервуара с более нижних слоев вода более холодная по трубке попадает в змеевик и нагревается солнечной энергией. Змеевик используется для увеличения площади нагрева. Резервуар для воды – это сосуд, изготовленный по принципу «термоса», окрашенный с внешней стороны светлой краской для уменьшения тепловых потерь излучением. Существенным недостатком солнечного водонагревателя такого вида является зависимость поступающей солнечной энергии от состояния атмосферы и времени суток.

   Хотелось бы отметить, что основными задачами при создании коллектора являются следующие: 
• обеспечение максимальной эффективности теплопоглощающей поверхности;
• использование наилучших средств для быстрого и равномерного переноса тепла к потоку воды;
• устойчивое и равномерное распределение воды в коллекторе;
• невысокая стоимость и надежность установки.

   Теплоприемные пластины коллектора можно изготовить из меди, алюминия, оцинкованной стали. Теплоприемник коллектора должен иметь покрытие, повышающее его поглощательную способность. Самым простым и дешевым покрытием является слой черной краски. Изоляция корпуса, в котором находится теплоприемная панель, не должна допускать больших потерь энергии, поступающей в установку. Трубы, ведущие из коллектора в бак-аккумулятор, должны иметь хорошую изоляцию и создавать минимальные помехи циркуляции. Изоляция труб помогает сохранить поглощенное коллектором тепло и поддерживать температурный напор между поступающей и отводимой водой.

   Существенно и местоположение ввода в бак труб. Труба, подводящая холодную воду к нижней части коллектора, должна забирать ее из самой холодной, нижней части бака. Нагретая вода из коллектора должна поступать в верхнюю (самую теплую) часть бака. Выше впускного отверстия для отбора горячей воды должен быть оставлен объем для накопления полусуточного запаса самой горячей воды, так как вода, поступающая в данный момент из коллектора, не всегда будет достаточно горячей (облачный день, раннее утро) и не должна в этом случае охлаждать имеющийся в баке запас более горячей воды. 
Местоположение, наклон коллектора и его взаимосвязь с баком являются важными факторами. Коллектор должен быть ориентирован строго на юг и наклонен к горизонтали под углом, равным широте места. Существенным недостатком солнечного водонагревателя такого вида является зависимость поступающей солнечной энергии от состояния атмосферы и времени суток. Созданный солнечный водонагреватель состоит из решетки старого холодильника, упакованной в деревянный ящик; прозрачных трубок; бочки; штуцера, кран.

   Материал и цвет компонентов установки подбирался исходя из физических свойств, использование которых давало некоторые преимущества и повышало эффективность ее работы. Трубка змеевика выполнена из алюминия, имеющего хорошую теплопроводность, и окрашена в черный цвет для лучшего поглощения солнечного излучения. Змеевик помещен в закрытый ящик, одна стенка которого сделана из стекла, тем самым достигается парниковый эффект. Ящик, в который помещен змеевик, деревянный – дерево плохо проводит тепло, уменьшаются потери от теплопередачи. Внутрь ящика проложена черная пергаментная бумага, для выполнения одновременно двух эффектов: лучшего поглощения солнечного света и предотвращения потерь тепла через неплотности (щели) ящика. В качестве бочки-резервуара была использована пластмассовая емкость белого цвета: пластмасса плохо проводит тепло, а белый цвет способствует медленному остыванию из-за меньшей излучательной способности.

   Движение воды в системе можно было наблюдать в прозрачных соединительных трубках по движению пузырьков воздуха и мелких грязевых частиц: направление определяется движением нагретой воды вверх. Для облегчения движения воды определенное внимание уделялось положению трубок, чтобы они не провисали и пузырьки воздуха не создавали «пробок». Но все равно периодически течение воды останавливалось из-за образования воздушных пробок по невыясненным причинам. Возобновить ток жидкости удавалось, отсоединив трубку от резервуара и пропустив воду, давая тем самым выйти скопившимся пузырькам воздуха. При этом была замечена очень высокая температура выливаемой воды, от нее даже шел пар.

   Во время эксперимента бак накопителя был установлен на высоту немного выше змеевика (высота не изменялась в ходе эксперимента). В следующих экспериментах можно будет попробовать различные способы расположения составляющих частей установки: поднять бак еще выше, или опустить ниже, установить его на одном уровне со змеевиком, и соответственно изменить положение соединительных трубок. Возможно, удастся подобрать наиболее оптимальное положение для условий протекания жидкости.

   Из-за частых и несистемных остановок циркуляции жидкости трудно оценить эффективность водонагревателя. Для этого нужно провести отладку конструкции и добиться непрерывности циркуляции воды. После этого, проводя замеры температуры воды и времени, за которое произошел нагрев на ту или иную величину, можно будет оценить его нагревательную способность. Используя метеорологические данные о поступлении солнечной энергии на земную поверхность, а также рассчитав количество теплоты, необходимое для нагрева воды в емкости, можно оценить КПД водонагревателя.

   Так же для повышения эффективности установки можно уменьшить потери в различных ее составляющих частях: утеплить резервуар с нагреваемой водой для предотвращения остывания; уплотнить прилегание стекла к ящику для предотвращения потерь тепла сквозь щели. В итоге себестоимость изготовления такого устройства достаточно низкая и определяется только стоимостью бочки. В лето 2008 года данный водонагреватель прошел апробацию на дачном участке. За солнечный световой день разница между температурой воды, налитой в водонагреватель и полученной после нагревания составляет порядка 10-13 0С.