Использование энергии солнца - Установки для нагрева воды

Промышленность выпускает солнечные установки для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования. Их использование менее металлоемко и может дать быстрый и ощутимый энергетический и экономический эффект. В первую очередь целесообразно использовать солнечную энергию на фермах и комплексах молочного животноводства для замещения применяемой в настоящее время электротепловой энергии для нагрева воды.
Вследствие непостоянства поступления солнечной энергии технологические схемы солнечного горячего водоснабжения должны включать тепловой дублер и теплоаккумулирующие емкости. Применение для этих целей емкостных электроводонагревателей типа САЗС соответствующей вместимости либо электродных водонагревателей типа ЭПЗ совместно с баками-аккумуляторами позволяет создать полностью автоматизированную систему гарантированного гелиоэлектрического горячего водоснабжения.
В качестве теплообменников допускается применение серийно выпускаемого оборудования с соответствующими параметрами. Однако предпочтительнее использовать специальные проточные или емкостные теплообменники, рассчитанные на перепад температур теплоносителей менее 10°.
Для ориентировочной оценки потребителями возможностей солнечных водонагревательных установок по теплопроизводительности в ЭНИН им. Г. М. Кржижановского разработал карту южных районов СССР с изолиниями среднегодовой удельной теплопроизводительности в кВт·ч/м² для двухконтурных систем солнечного горячего водоснабжения при коэффициенте замещения (доли использования солнечной энергии в покрытии нагрузки), равном 0,5.
Для круглогодичного солнечного горячего водоснабжения ферм и блоков на 400 голов требуются гелиоколлекторы площадью от 192 до 512 м², что значительно увеличивает капитальные затраты на указанное техническое решение, то же самое можно сказать и о комплексно-механизированных фермах на 200 голов, где площадь коллекторов должна составлять от 75 до 200 м². Поэтому горячее водоснабжение с круглогодичным использованием гелиоколлекторов можно признать приемлемым только для частично механизированных ферм на 100 голов южнее 52—54° с. ш. При сезонном использовании гелиоводонагревательных установок (например, с марта по октябрь) потребность в энергии на подогрев воды снижается примерно наполовину, вследствие повышения начальной температуры поступающей воды на 3— 10° С. В то же время доля суммарного солнечного излучения, приходящего в этот период в южных районах, остается весьма высокой (80—90 % от суммы излучения в течение года, см. табл. 2).
Применительно к типу ферм крупного рогатого скота молочного направления необходимые площади гелиоколлекторов для нагрева воды на технологические нужды в сезонно действующих гелиоустановках приведены в таблице 5.
Для одноконтурных схем горячего водоснабжения при сезонном использовании гелиоколлекторов площади коллекторов, приведенные в таблице, могут быть снижены на 10—15 %.
Ниже описаны установки, применяемые в молочном животноводстве и свиноводстве.

Гелиоустановки для горячего водоснабжения животноводческих ферм ГГВ-2500/32 и ГГВ-1000/12,8.

Разработаны НПО «Казсельхозмеханизация». Предназначены для нагрева воды, используемой на технологические нужды молочных блоков коровников и доильных площадок с суточным расходом горячей воды 2500 и 1000 л (примерно на 200 и 100 голов КРС соответственно). В состав установок входят неподвижный ориентированный на юг гелиоприемник, состоящий из коллекторов отопительного оборудования Братского завода, бак-аккумулятор соответствующей вместимости и соединительные трубопроводы. Соединение коллекторов последовательно-параллельное (по 2 последовательно). Гидравлическая схема установки — одноконтурная с естественной циркуляцией теплоносителя (воды) между коллекторами и баком.
Технические показатели установок НПО «Казсельхозмеханизация» приведены в таблице 6.
Установки эксплуатируют с электрическим дублером, например, с комплектом оборудования для горячего водоснабжения КОГВ-1000/25.

Таблица 5. Площади гелиоколлекторов для установок горячего водоснабжения ферм и комплексов молочного направления в теплый период года

Таблица 6. Техническая характеристика гелиоустановок для горячего водоснабжения

Гелиоводонагревательная установка для животноводческой фермы.

Разработана УНИИМЭСХ. Предназначена для нагрева воды и теплоснабжения на животноводческой ферме на 100—200 голов. Представляет собой активную систему гелионагрева. Коллекторы закреплены на раме и могут вращаться вокруг оси, наклон которой зависит от широты местности и времени года. При непрерывном слежении за Солнцем, когда плоскость коллекторов перпендикулярна солнечным лучам, скорость нагрева воды и теплопроизводительность установки увеличиваются на 20 % по сравнению с неподвижным положением.
Площадь гелиоколлектора — 8 м², вместимость бака-аккумулятора — 2 м³, размеры лицевой поверхности — 3500 X 3000 мм, температура нагрева воды — плюс 54—60° С, масса установки (без фундамента) — 850 кг.
Гелиоустановка обеспечивает замещение до 13,6 тыс. кВт · ч электроэнергии за сезон.

Стационарные гелиоустановки для летних доильных площадок ГВУ-1600, ГВУ-800, ГВУ-2400 (рис. 7)

Разработаны ВНИПТИМЭСХ. Предназначены для снабжения горячей водой доильных площадок на пастбищах и в летних лагерях с апреля по октябрь.
Технологическая схема гелиоустановок включает блок гелиоприемников 1, бак-теплоаккумулятор 3 с трубчатым электроводонагревателем 4, трубопроводы, вентили и клапаны.
Блок гелиоприемников площадью 10—12 м² может иметь параллельное соединение 12—14 коллекторов или последовательное соединение по 2 коллектора в 6—7 параллельных ветвей. Гелиоустановки с площадью коллекторов более 20 м² (более 25 шт.) рекомендуется выполнять только из последовательно-параллельных соединенных групп коллекторов.
В качестве бака-теплоаккумулятора используют серийно выпускаемые емкостные электронагреватели типа САЗС соответствующей вместимости. Циркуляция воды из бака через блок гелиоприемников осуществляется без насоса под действием сил гравитации (по принципу термосифона). Для обеспечения режима устойчивой термосифонной циркуляции бак-теплоаккумулятор устанавливают выше гелионагревателей.

При этом разность высоты между нижней частью бака и верхней частью гелиоколлектора должна составлять 150— 200 мм. Разбор подогретой воды из верхней части бака- теплоаккумулятора осуществляется путем вытеснения ее холодной водой под напором водопроводной сети.
Основные технические характеристики гелиоустановок конструкции ВНИПТИМЭСХ приведены в таблице 7.

Таблица 7. Техническая характеристика гелиоустановок

Процент гелионагрева в горячем водоснабжении за три сезона эксплуатации установки ГВУ1-600 составил в среднем 65 %, была повышена сортность молока, т. е. было резко сокращено число моек молочного оборудования холодной водой, имевших место при отказах электронагревателей и перерывах в электроснабжении.
В настоящее время подобные установки внедрены в нескольких хозяйствах Мясниковского и Морозовского районов Ростовской области. Однако гелиоколлекторы при сезонной работе на воде при одноконтурной схеме имеют срок службы не более 4 лет. Увеличить этот период можно нанесением антикоррозионного покрытия на внутренние поверхности теплообменников, изготовлением теплообменников из плакированного алюминия или термостойких пластмасс.

Передвижная гелиоустановка с пластмассовыми коллекторами для универсальных доильных станций УДС-3А.

Разработана ВНИПТИМЭСХ, ИВТАН и ВИЭСХ. Предназначена для получения горячей технической воды в расчете на поголовье до 200 коров на доильных площадках и в летних лагерях, оборудованных передвижными доильными станциями типа УДС-3А, где теплая вода необходима для подмывания вымени коров перед доением, промывки молокопроводов и молочного оборудования. Представляет собой вариант усовершенствования гелиоустановок доильных площадок. Обеспечивает выполнение более жестких требований по санитарному состоянию нагреваемой воды (на отсутствие ржавчины) и более чем вдвое увеличивает срок службы коллекторов при сезонном использовании только в теплый период года.
Состоит из смонтированных на полозьях секций гелиоприемников и водяного бака-аккумулятора с дублирующим электронагревателем (или без него при отсутствии электросети).

Техническая характеристика передвижной гелиоустановки с пластмассовыми коллекторами
Общая площадь гелиоприемников, м² 12
Вместимость одного гелиоколлектора, л    80
Вместимость бака-аккумулятора, м³    0,8
Температура нагреваемой воды, °C   40—50
Габариты одного гелиоколлектора по фасаду, м 1 X 2
За сезон работы с апреля по октябрь в Ростовской области такая установка обеспечивает замещение до 5 тыс. кВт·ч электроэнергии, что эквивалентно 2 ту·т.
Применение толстостенных пластмассовых лучевосприни- мающих элементов обеспечивает проявление аккумуляционного эффекта, т. е. такая гелиоустановка обладает большой инерцией при нагреве и охлаждении воды.
Аккумуляционные пластмассовые гелиоприемники нагревают воду без ее разбора до 67—72° С в верхней части и до 39—46° С в нижней части коллектора. Наибольшее приращение температуры соответствует периоду до 15—16,4, а затем происходит процесс охлаждения со скоростью 1,5— 2,2 град/ч. В течение ночи температура воды в аккумуляционном гелиоколлекторе снижается до 30° С. В связи с этим всю полученную горячую воду целесообразно перекачивать в теплоизолированный бак-аккумулятор.
На температурные и энергетические показатели такой установки влияет кратность отбора воды в течение суток. Максимальная температура воды при двукратном отборе составляет 67° С для верхней части и 46° С для нижней части гелиоприемника. При этом среднедневной термический КПД гелиоустановки 0,53, а коэффициент замещения тепловой нагрузки 0,6.
Размещение секций гелиоколлекторов и бака-аккумулятора на полозьях позволяет легко транспортировать их на тракторной тяге вместе с передвижной доильной станцией.

Гелиоустановка для нагрева воды.

Разработана Си- 6ИМЭ. Предназначена для нагрева воды на летних доильных площадках при обслуживании 200 коров. В условиях Новосибирской области за день с 1 м² гелиоустановки можно получить до 70—80 л горячей воды с температурой плюс 65° С. Особенность гелиоустановки — горизонтальное расположение бака-теплоаккумулятора.
Площадь поверхности гелио-коллектора при обслуживании крупного рогатого скота — 12 м², вместимость бака- теплоаккумулятора— 1,5 м³, температура нагрева воды — плюс 65° С.
Установка обеспечивает сезонное замещение электроэнергии в объемах 5500 кВт·ч.

Мобильная гелиоустановка.

Разработана Харьковоблагропромэнерго. Предназначена для нагрева воды за счет солнечной энергии для бытовых и технологических целей.
Состоит из металлического каркаса, на котором закреплены 10 гелиоколлекторов и емкость на 400 л. Устанавливают на ровную горизонтальную площадку размером 4X2 без изготовления фундаментов.
Гелиоприемники соединяются между собой параллельнопоследовательно, что приводит к ускоренной циркуляции воды за счет уменьшения внутреннего сопротивления в коллекторах.

Передвижное гелиоустройство "Мзиури".

  Разработано ГрузНИИМЭСХ. Смонтировано на одноосной тележке. Включает гелиоколлектор площадью 5 м², баки для холодной и горячей воды. Обеспечивает нагревание воды до температуры плюс 60° С. Габариты — 4900 X 2000 X 2050 мм.