Крыша-отражатель для использования энергии солнца и ветра

Roof-reflector for the solar and wind energy usage

Предположение:
обычная двускатная кровля из оцинкованого железа может стать основой для получения экологически-чистой энергии в зимние месяци - в период пика потребления энергии.
Солнечный нагреватель-коллектор с рефлектором, схема которого использует отражение от крыши
плюс
простейшая ветряная машина, схема которой использует аэродинамические свойства крыши и рефлектора солнечного коллектора.

Архитектурный проект индивидуального дома и выбор типа кровли

Проектируемый одноэтажный дом (расширение-реконструкция существующего старого одноэтажного дома) имеет размеры 15 х 10,5 метров (15 метров по линии север-юг, ориентация дома почти точно по линии север-юг - азимут 4 градуса). На рисунке показан вид дома с восточного направления. Дом находится в верхней части северного склона, перепад высоты на длине фундамента - 1,5 метра.

Двускатная металлическая крыша с минимальным уклоном 11,5 градусов выбрана с целью экономии и минимального затенения сада. Более крутая черепичная крыша над домом 15 х 10,5 метра имела бы высоту как минимум 4 метра, то есть объем пространства под крышей - более 300 кубических метров. Жилой объем дома - около 450 кубических метров.

(Почему выбран проект одноэтажного дома без мансарды - этажа под крышей?)

Энергетика индивидуального дома и солнечные нагреватели (солнечные коллекторы)

Мы жили в старом доме, который сейчас расширяем. Максимальное потребление энергии в нашем доме - зимой, при северном ветре. Но именно зимой - при низком солнце и облачности - обеспечение дома альтернативной энергией обходится очень дорого. Со слов проектировщика солнечных отопительных систем, стоимость системы для солнечного отопления и нагрева воды (причем зимой - декабрь-февраль - она бы обеспечивала только 30% потребляемой мощности - всего около 2,4 киловатта среднесуточно) составила бы... около 40 тыс. евро.

Почему бы не снизить стоимость домашней отопительной системы, питающейся из альтернативных источников энергии, воспользовавшись конкретными природными условиями и особенностями проектируемого дома? Планируемая схема энергоснабжения дома из альтернативных источников энергии является дополнительной мощностью для пикового энергопотребления зимой, особенно в холодные дни с северным ветром.

Крыша как ускоритель ветра и концентратор солнечной энергии

Из практики известно, что:
а) на блестящей металлической крыше - жарко
б) на плоской крыше почти всегда дует ветер.

В наших условиях - 275 метров над уровнем моря, чистый воздух - в ясный день поток солнечной энергии, приходящейся на 1 квадратный метр поверхности перпендикулярной солнечным лучам, составляет около 1,2 киловатта. На объект, находящийся над обширным рассеивающим отражателем, падают не только прямые солнечные лучи или рассеянные облаками, но и отраженные от отражателя - с нижней полусферы.

Как иллюстрацию могу привести факт, что в зимних условиях (был солнечный день, ветер ок. 2 метров в секунду, температура в тени -3 градуса Цельсия) я устанавливал термометр-коробку под прямыми солнечными лучами:
а) +10 - над поглощающей свет поверхностью - над темной бетонной поверхностью
б) +50 - над отражающей свет поверхностью - на свежем снегу
в) +40 - над отражающей свет поверхностью - на оцинкованном железе (угол отражения - ок. 20 градусов).

Опыт "в" - это металлическая крыша.

Трудно сказать, на сколько скорость ветра над пологой крышей больше, чем на той же высоте на открытом месте. Обтекание ветром крыши - процесс очень сложный, измерения скорости ветра не проводились. Интуиция и субъективные наблюдения подсказывают, что какой-то положительный эффект будет.

Схема использования плоской крыши как элемента установки для извлечения энергии из окружающей среды

Солнечное излучение, отражаясь от оцинкованной железной крыши частично попадает на длинный рефлектор, концентрирующий лучи на черной пластине с трубой или вакуумной стекляной трубе - теплоприемниках, через которые циркулирует теплоноситель. Рефлектор и теплоприемник ориентированы по направлению восток-запад, длина рефлектора составляет приблизительно 1/2 ширины крыши - 6 метров. Солнечный коллектор, расположенный на крыше подобным образом, на 44 градусе северной широты будет освещаться солнцем 3-4 часа в сутки в месяц около зимнего солнцестояния (с 7 декабря по 6 января, средний угол падения солнечных лучей в полдень принимаем 25 градусов).

Воздушный поток с севера, обтекая дом, прилегает к крыше и попадает в длинную щель между крышей и солнечным рефлектором. Под солнечным рефлектором установлена дополнительная наклонная плоскость, еще более суживающая щель. Покатая крыша, обратная сторона солнечного рефлектора и дополнительная наклонная плоскость образуют без дополнительных затрат конфузор - сужающееся отверстие, через который проходит поток газа. При этом скорость движения воздуха увеличивается. Ускоренный поток воздуха попадает на лопасти вытянутой по всей длине солнечного рефлектора крыльчатки типа савониус, расположенной горизонтально. Диаметр крыльчатки - около 40 сантиметров. Лопасти крыльчатки в фазе движения против ветра прикрыты от набегающего потока воздуха дополнительной наклонной плоскостью.

Кинетическая энергия ветра, преобразованная в механическую энергию вращающегося вала, может быть использована для приведения в действие теплового насоса, повышающего температуру теплоносителя получаемого от солнечного коллектора, или от нагрева о грунт на глубине несколько метров (тепловая энергия грунта, геотермальная энергия) - в зависимости от времени суток и погодной ситуации.

Схема 1.
Использование плоской металлической крыши - профнастил, профилированый оцинкованый лист - для извлечения энергии ветра и солнца.

на схеме:
E sunlight - лучистая энергия - прямые солнечные лучи и рассеянное отражение от оцинкованного кровельного железа (профнастила, металлочерепицы;)
E wind - кинетическая энергия ветра, обтекающего аэродинамический профиль крыши - схематично показано уплотненение энергии ветра (увеличение скорости потока газа) при обтекании крыши
E ground - тепловая энергия грунта, извлекаемая трубами-теплообменниками
ANGLE roof1 - угол наклона южного ската крыши, 13,75 градуса
ANGLE roof2 - угол наклона северного ската крыши, 11,5 градуса
ANGLE sun - высота (угол подъема над горизонтом) солнца зимой в 10-14 часов астрономического времени, 25 градусов

Схема 2.
Солнечный коллектор (solar collector, солнечный нагреватель), отражатель которого вместе с крышей для северного ветра выполняет роль конфузора (ускоряющее газ сужение канала, анти-дюза).

на схеме:
E light - солнечные лучи и рассеянный свет облачного дня отражаются от металлической крыши
V air - поток воздуха (северный ветер) проходит через щель между крышей и солнечным рефлектором
1 - солнечный рефлектор (отражатель)
2 - труба с теплоносителем - преобразователь солнечной электромагнитной радиации в тепловую энергию
3 - ветряной двигатель типа "савониус", ось которого расположена горизонтально - вращается против часовой стрелки
4 - наклонная плоскость, закрывающий нижнюю часть ветряного двигателя

Схема 3.
Вид сверху на крышу с солнечным водонагревателем, под которым расположен ветродвигатель.

на схеме:
roof width - ширина оцинкованой железной крыши в направлении восток-запад, 11,5 метра
E light - прямые солнечные лучи и рассеянный свет облачного дня отражаются от металлической крыши
V air - поток воздуха, северный ветер
1 - солнечный рефлектор (отражатель) с трубой-приемником солнечной энергии

При площади рефлектора 4,2 квадратных метра и с учетом отражения солнечной энергии от крыши (еще приблизительно столько же), в солнечный день в полдень можно ожидать мощность около 10 киловатт, то есть в сутки - 20...30 киловатт-часов. В пасмурный день, вероятно, можно будет получить в сутки до 5 киловатт-часов тепловой энергии. При половине пасмурных дней втечение самых холодных месяцев, среднемесячно солнечный коллектор, использующий в качестве отражателя крышу, может дать около 450 киловатт-часов тепловой энергии.

Северный ветер в период с декабря по февраль у нас дует в среднем 150 часов, при средней скорости ветра на крыше около 8 м/с (измерения скорости ветра не проводились, скорость ветра указана "на глаз" - по дыму из каминной трубы, движению снега). Площадь, с которой отбирается кинетическая энергия ветра (аналог ометаемой площади ветряной турбины), в нашем случае составляет около 7 квадратных метров. Если для ветряной лопастной турбины создать ламинарный поток воздуха (одинаковая постоянная скорость по всей ометаемой площади - что в приземных слоях атмосферы встречается очень редко), то ометаемая площадь в 7 квадратных метров была бы у ветряной турбины диаметром 3 метра.

Один квадратный метр сечения потока воздуха скоростью 8 метров имеет мощность (кинетическую энергию за секунду) 0,31 киловатта. Вероятно, при помощи крыльчатки можно будет отобрать около 15-20 процентов мощности ветра с площади 7 квадратных метров, то есть около 380 ватт. В месяц это составит около 57 киловатт-часов механической энергии для привода тепловой помпы, берущей тепловую энергию или от солнечного нагревателя (повышая его эффективность), или от грунта - высасывая накопленное за лето тепло.

Таким образом, в самые холодные зимние дни - в период пикового энергопотребления - простые солнечный коллектор-нагреватель и ветряная крыльчатка-привод теплового насоса могут дать за месяц около 500 КВт*ч. тепловой энергии.

постоянный интернет-адрес этой статьи
"Крыша-отражатель для извлечения энергии солнца и ветра"
http://camru.org/articles/solar_wind_energy_reflecting_roof.html