Слънцето
(За това, че всичко, което движи живота е слънчева енергия)
Температурата на слънчевата корона е 6000° С. В резултат на процесите, които протичат в нея към пространството и в частност към Земята, се излъчват видимата светлина, космически лъчи, инфрачелвени, ултравиолетови и други лъчи от слънчевия спектър.
Стигайки до повърхността на атмосферата, част от слънчевата енергия се отразява обратно в космоса (10%). Друга част от нея, от порядъка на 30%, се задържа в нея, нагрявайки горните слоеве. Около 37% от слънчевата енергия се акумулира от океана. Част от тази енергия се запазва чрез биосинтеза. Биосферата използва едва 0,08% от слънчевата радиация. Това спомага да не се получи пренатрупване на "уловена" слънчева енергия.
Всичко, което Земята поема като енергия, се излъчва обратно в космоса. Благодарение на това се запазва температурно равновесието. Така средната температура на Земята е 20°С. Измененията в интензитета на слънчевата радиация , в годишните времена, са от порядъка на 3,5 %, т.е. незначителни.
Слънчевото лъчение се характеризира с така наречената "постоянна слънчева константа". Тя е от порядъка на 1380 W/m? и е слънчевата енергия, която достига земната орбита. Част от нея се губи при преминаването на светлинното лъчение през атмосферата. Така в ясен слънчев ден пада на земната повърхност около 1 кW на 1 m? перпендикулярно на слънчевите лъчи.
Разсейването в атмосферата е по-голямо, когато въздуха е по-влажен и по-прашен.
Спектърът на лъчите, които достигат до земната повърхност е от 0,3 до 3 µm (ултравиолетови, видими и инфрачервени).
При процеса фотосинтеза, усвояването на слънчевата енергия и акумулирането й в биомасата е с КПД 14%. При слънчевите съоръжения може да стигне до 90%.
Слънчевите дни в различните райони на България са между 200 и 270 за година.
Системи за преобразуване на светлината
Инсталациите, които преобразуват светлината се делят основно на две групи: за добив на топлина и за добив на електричество.
Системи за добив на топлина
Системите за добив на топла вода в повечето случаи са съставени от 2 компонента: колектор и водосъдържател (или бойлер). Те се делят на два класа системи: пасивни и активни, като вторите предават топлината от колектора на бойлера активно: с помощта на захранвана с електричество помпа. Системите се делят също на сезонни и такива, които функционират целогодишно, тъй като при вторите течността в колектора е незамръзваща.
На схемата по-долу е показана принципната схема на пасивна слънчева система за сезонна употреба.
Схema 1 - пасивен колектор
Системата функционира по следния начин: Светлината се поглъща от абсорбера (боядисана в черно медна или алуминиева ламарина) и го нагрява. Към ламарината са запоени тръби или серпентина, по които тече вода. Понеже абсорберът е изграден от тези силно топлопроводими материали (мед, алуминий и др.), нагрятата ламарина отдава топлината на серпентината/тръбите, като водата, преминавайки през тях, отнема топлината от тях и я транспортира към бойлера. Това става по следния начин: когато водата се нагрее, се издига по серпентината нагоре от само себе си, понеже е по-лека от студената. Влива се в бойлера и "изтласква" по-тежката студена вода, която се насочва обратно към колектора в долната му част. По този начин водата циркулира по системата и преминавайки през водосъдържателя (бойлера), нагрява постепенно водата в него. Системата е снабдена с разширителен съд, за да я предпази от разширяването на водата, която може да достигне температури над 150 градуса в колектора.
Понеже придвижването на затоплената вода е на гравитационен принцип, бойлерът при тези системи трябва да е над колектора и по възможност по-близо до него, за да е добра циркулацията. Друга слабост на тази система е опасността от замръзване на водата в колектора и водосъдържателя. Тази слабост се избягва като течността, която се нагрява в колектора е незамръзваща (специален безвреден антифриз) и вече циркулира по затворена серпентина във водосъдържателя като двете течности не се смесват по този начин. Водосъдържателят в този случай е или добре изолиран или поставен вътре в сградата.
Тези усложнения в системата с пасивна циркулация намаляват нейната ефективност и забавят движението на течността и топлообмена, които и без друго протичат с не голяма скорост. Това се преодолява като системата се усложнява: въвежда се принудена циркулация на загряващата течност с помощта на електрическа водна помпа (виж схемата по-долу). Обикновено помпата е с малка консумация (за еднофамилните системи под 50 вата). Ако обаче работи непрекъснато през нощта и когато няма слънце, вместо да се нагрява, водата във водосъдържателя ще се охлажда. Това налага включването в системата на електроника, която да управлява помпата. Според показанията на датчиците помпата се включва само когато температурата във водосъдържателя е по-ниска от тази в колектора и от желаната температура. Тези усложнения в системата я оскъпяват и я правят по- уязвима поради повечето компоненти. От друга страна, повишаването на ефективността позволява да се намали колекторната площ или от същата площ да се добива повече топлина. Отпада и изискването бойлерът да е по-високо от колектора, което позволява той да се постави където и да е в къщата, а колектора да се разположи на покрива.
Схema 2
Падащата слънчева светлина се преобразува в колектора (1) в топлина. Топлината се пренася чрез течност-енергоносител (вода, антифриз…)през тръбите (2) и отива в бойлер. В бойлера има топлообменник (серпентина) (4), който предава енергията на носителя на битовата вода, предназначена за затопляне и така се оползотворява в крайна сметка получената топлина. Бойлерът трябва да се подбере така, че да събира необходимото за няколко дни количество топла вода.
Чрез включване на електрически нагревател (5) в схемата е възможно добиването на топла вода и през по-дълги периоди на лошо време.
Охладената от топлообменника работна течност се връща обратно в колектора за затопляне. В тези инсталации циркулацията на течността се осигурява от помпа (6). Електронното управление (7) включва помпата само тогава, когато е възможно получаването на топлина от колектора /затова и течността в колектора остава винаги по-топла от водата в бойлера/. Бойлерът и тръбите се изолират добре за да се избегнат загубите на топлина.
За пълното оборудване е необходим един термометър-датчик (8) в линията на хладната и един в линията на топлата течност, които е добре да се монтират близо до бойлера. Работното налягане на течността се поддържа равномерно от съд за изравняване на налягането (разширителен съд) (9), когато при увеличаване на температурата си течността се опитва да се разшири и налягането в системата се повишава и може да я повреди.
Еднопосочният вентил (11) предотвратява връщането на топлата течност обратно в колектора в случай, че работният цикъл е прекратен. Вентил за високо налягане(предпазен вентил) (10) намалява налягането на течността чрез изпускане на част от нея при повишаване на налягането й, когато разширителният съд не може да се справи с компенсирането му. На най-високото място на линията на горещата течност се монтира обезвъздушителен автоматичен клапан (12) за отстраняване на излишният въздух в тръбите. Спирателните кранове и крановете за източване на вода и течност допълват системата.
Системата е за целогодишно ползване като обикновено водосъдържателят е снабден с електрически нагревател, който се включва от електрониката за да донагрее водата, когато е облачно, през зимата или при по-голяма консумация. При водосъдържателите с две серпентини има възможност бойлерът да се включи към котел и да имате непрекъснато топла вода през зимата.
Топлинни тръби.
Те представляват херметически затворени вакуумни тръби на дъното, на които има лесно изпаряваща се и незамръзваща течност. Течността обикновено е ацетон. При загряване течността се изпарява и се издига нагоре. В горната си част има топлинна глава от метал с голяма топлопроводимост, която отдава топлината на преминаващата през нея течност. Температурата на газа се понижава, кондензира се в течност и се стича отново на дъното на топлинната тръба. По този начин движението на топлината е само еднопосочно. Тези колектори се използват целогодишно. Препоръчват се за сезонна употреба. Тръбите са от алуминий или мед, обезвъздушени са и не трябва да пропускат въздух.
Интересна е разработката на такъв колектор с топлинни тръби на Слънчевата лаборатория на техническия университет във Варна. Хитростта на тези системи е, че използват и водосъдържателя като абсорбер (особено полезно за ниския ъгъл на лъчите в ранните часове и късния следобед) . Това, в съчетание с използването на топлинни тръби, повишава ефективността на системата, което позволява да се намали колекторната площ, а оттам и цената.
Вакуумно -тръбни колектори
Изключително модерни и ефективни са така наречените вакуумно -тръбни колектори, чиято ефективност достига 82%. В най-простата конструкция абсорберът и запоената в него тръба, през която тече флуида, са поставен в стъклена тръба. Между двете тръби има вакуум, като по този начин няма загуби от топлоотдаване и флуидът в абсорбера може да се нагрее над 200 градуса. Това прави тези колектори приложими, когато са необходими високи температури, както и при облачно време, когато се разчита само на разсеяната светлина.
Ефективност на усвояването на светлината от колектора
Съобразно със соларната константа към земята достигат 1380 Вата на квадратен метър повърхност перпендикулярна на лъчението. При преминаването си през атмосферата част от слънчевата енергия се отразява и разпръсва. Така до земната повърхност, при ясен слънчев ден, достига 1kW/m2. При попадане на слънчев лъч върху стъкло 8% от енергията се отразява, друга част се поглъща от самото стъкло (2%). Самия абсорбер също отразява 8%, чрез конвекция (топлопренос) се губят 13%, 6 % се губят от топлинното лъчение на абсорбера обратно навън и още 3% се губят по-надолу чрез загуби от топлоотдаване от гърба на абсорбера. При добър колектор се оползотворява 60% от енергията попадаща върху него.
Друга употреба на слънчевата енергия
Акумулиране на топлината
Начин за сезонно акумулиране на слънчевата енергия е чрез фазово превръщане: твърдо-течно , течно-твърдо на специални материали. Според вида на материала при разтапянето или втвърдяването му се отделя/поглъща топлина. Засега този метод на акумулиране е икономически неизгоден. Друг начин е използването на голямо количество вода в добре изолирани, в земята или в скали, контейнери. Този метод се използва за малки селища или квартали за съхранение на топлата вода нагрята през слънчевите дни. Така за 3 месеца температурата в контейнерите може да падне само с около 2-3 градуса и да се използва през Зимата
Слънчевите печки
Слънчевите печки са широкоразпространени ( в милиони екземпляри) в третия свят и са особено полезни на места където няма друг енергиен източник освен Слънцето. Параболичната слънчева печка е много популярна в Китай. С нея температурата в петното на концентрираната светлина е достатъчно висока, за да накара водата в съда да заври . Другият тип печки, слънчевите фурни или кутии, работят с по-ниски температури и са разпространени в Африка.
Всичко по темата и за пастьоризирането и дезинфекция на водата можете да намерите на адрес www.solarcooking.org
Слънчева детоксикация
Слънчевата детоксикация е обезвреждане на опасни отровни химически съединения. Със слънчеви концентратори се повишава температурата до 2-3 хиляди градуса. Така съединенията се разпадат на елементи. При по-ниски температури биха се отделили вредни газове. Има процеси които силно се катализират от наситена слънчева енергия (при голямо количество фотони) така се добиват и някои лекарства.
КАК ДА СПЕСТИМ ОТ ТОПЛАТА ВОДА
Нека едно семейство плаща месечно средно по 40 лв за енергия за затопляне на вода в бойлера. За една година то плаща 480 лв, а за 5 години 2400 лв. За по-малко от тези пари можете да си купите обикновена целогодишно-функционираща слънчева система за топла вода, която ще ви спести поне 70 % от енергията. За още по-малко ( дори под 1000 лв) можете да си купите сезонна пасивна слънчева колекторна система. И в двата случая сте на печалба и изплащате системите още в периода на гаранцията от 5 години. В хотели и заведения, където системите са по-големи и са максимално натоварени дори скъпите високоефективни вакуумно-тръбни инсталации се изплащат за по-малко от 3 години. Като се има в предвид, че живота на една такава система е поне 20 години можете да си представите за какви съществени печалби става дума. Не случайно в съседна Гърция, където хората имат достатъчно средства да си плащат тока има слънчеви колектори почти на всеки покрив.
Ако пък нямате 1000 лв си направете система тип "Направи си сам" по един от следните методи:
"Направи си сам" най-проста слънчева система
Система с вграден водосъдържател
Ако нямате да инвестирате толкова пари можете да си направите най-проста система на принципа "Направи си сам" от типа "колектор с интегриран водосъдържател". Необходим ви е водосъдържател за бойлер от неръждаема стомана (емайлираният не е подходящ понеже емайла действа топлоизолационно) или поцинкован. Ако нямате специален соларен лак го боядисвате с вакса за печки (най-добре) или черна алкидна боя премесена със смлян графит (или въглен), а може да използвате високотемпературно устойчив черен спрей (задължително матов). Поставяте го под 45% ориентиран на юг на подходящо място, където не пада сянка. По-добре да е в остъкление ( може и в найлон) за парников ефект и да не изстива бързо през нощта. Кой да е водопроводчик ще го свърже с водопроводната система, като трябва да предвиди предпазния вентил и спирателен кран. В края на есента трябва да се източи водата от тази част на системата, която е навън, за да не се повреди от замръзване. Това трябва да се има в предвид също при свързването.
Система с отворен резервоар (с поплавък)
Това е по-евтин вариант на пасивна система, понеже може да използвате обикновен варел и поплавъчен механизъм, подобен на този при тоалетните казанчета. По този начин, когато (от долната страна на варела) се източи вода от резервоара, поплавъка се спуска и отваря клапата и резервоара започва да се пълни със студена вода, докато не се напълни до нивото, при което поплавъка затваря отново клапата. Разбира се не забравяйте да изолирате добре резервоара - най-добре с кожух от минерална вата (минимум 5 мм), а ако не искате да давате пари можете да използвате следния метод:
Изолация от екологични или отпадъчни материали.
Правите си кожух от изсушени стръкове тръстика или слама (а дори стара вълна, парцали и пр.) и тел или конец. Обвивате варела (контейнера, ако не е кръгъл) и може да стегнете кожуха с тел или тънко въже. Отвън измазвате с глинен разтвор (виж в Строителство с глина), гипс или циментово лепило. Трябва да се погрижете и за изолацията на капака, като преди да го изолирате, може да го запечатате с тесто (както се прави при казаните за ракия), маджун, силикон и др.
"Направи си сам" целогодишна система с принудена циркулация
Ако имате повече познания в областта или наистина сте голям ентусиаст и сте готов да инвестирате малко по-вече средства, може да се опитате да конструирате система за целогодишна употреба:
Български наръчник - активна система (очаквайте скоро на нашия сайт)
Покупка на слънчева система
Преди да си купите система е добре да помислите какъв обем система ви трябва. 1 м2 колекторна повърхност обикновено затопля към 30-50 литра от водата в акумулатора за вода. Един човек консумира средно около 20 - 50 л топла вода на ден. По тези показатели можете приблизително да прецените размера на системата, която ви е нужна. Правилното оразмеряване е най-важната стъпка при закупуването на системата, така че помислете много добре преди да направите каквато и да е инвестиция и ако трябва дори се консултирайте със специалисти.
Добрите системи са по-скъпи, но с по-голяма гаранция на компонентите. Водосъдържателят е добре да е от неръждавейка. Обикновено гаранцията за него е поне 10 г. Емайлираните водосъдържатели са по-евтини, но са с поне 2 пъти по-кратък живот. Тоест тук важи правилото, че по-евтиното излиза по-скъпо. Водосъдържателят с една серпентина може да бъде за свързване с котел. В този случай серпентината в него е по-къса (понеже е разчетена за по-високи температури). Това не е толкова фатално, особено ако панела ви е вакуумно-тръбен. Просто топлообменът в бойлера е по-бавен и помпата ще работи малко по-вече. Другата особеност на тези водосъдържатели е, че те не са предвидени да се поставя в тях температурен датчик. В този случай трябва да се обърнете към шлосер да ви разпробие капака на бойлера отдолу, за да може да се постави датчика. Ако например си купите такъв бойлер на Елдом-Инвест, Варна (по-евтини са поради серийното си производство и обикновено по-качествени от вносните) и решите да направите тези изменения е добре да известите сервиза предварително, за да запазите правото си на гаранция.
Най-добре е разбира се, когато водосъдържателя е разчетен за слънчевата ви система (Вече има няколко български фирми, които правят такива бойлери с европейски стандарт за качество). Например, ако искате водата в системата да се дозатопля през котела на парното, когато през зимата добивът на слънчева енергия не е достатъчен, ви е необходим водосъдържател с две серпентини. Такива водосъдържатели обикновено са с обем над 150 литра.
Колекторите е най-добре да са вакуум-тръбни, но те са и по-скъпи. Направете си сметката: дали над 20 % по-високата ефективност, спрямо обикновените колектори, ще изплати с времето по-високата инвестиция; дали ви трябват по-високи температури; дали имате ограничение на покривното пространство; дали искате по-бързо затопляне на водата и дали искате по-голяма ефективност на системата през зимата и при лошо време.
Ако нямате нужда от толкова високотехнологични колектори, но искате все пак по-висока ефективност, може да си купите колектор със селективна повърхност. Това е специална разработка на покритие, което се нанася електростатично в специални вакуумни камери. Целта е да стане максимално поглъщане на светлината и минималното й отражение обратно в атмосферата. Ефективността на тези колектори е с 10 - 15 % по-висока от обикновените не-селективни. Другото преимущество е почти вечната дълготрайност на покритието, за разлика от това при не-селективните, при които и най-качествения слънчев лак не може да издържи по-вече от 15 години и абсорбера трябва да бъде пребоядисан.
Професионалният колектор е със закалени (темперирани) стъкла. Това е необходимо за предпазване от счупване при градушка.
Цените
Цените на колектори и цели системи варират много. За енднофамилни системи са от 500 до над 5000 лв. Сами преценете дали да инвестирате в по-високотехнологична система с по-дълъг живот или може да се задоволите и със система за сезонна употреба.
