Покрив отражател за използване енергията на слънцето и вятъра

Предположение:
обикновен двускатен покрив от поцинкована ламарина може да бъде база за получаване на екологично чиста енергия през зимните месеци, тогава, когато се наблюдава пик в потреблението на енергия.
Слънчев нагревател-колектор с рефлектор, чиято схема използва отражението от покрива
плюс
опростена ветрена машина, в схемата на която се използват аеродинамичните свойства на покрива и рефлектора на слънчевия колектор.

Идея за архитектурен проект на самостоятелно жилище и избор на вида на покрива

Според проекта едноетажното жилище (пристройка към вече съществуваща стара едноетажна къща) е с размери 15 х 10,5 метра (15 метра по линията север-юг, т.е. ориентацията на жилището е почти точно по линията север-юг - азимут 4 градуса). На рисунката е показан вида на дома, който е с източно направление. Жилището се намира в горните части на северен склон, спад във височината по дължината на основата - 1,5 метра.

Минималният наклон от 11,5 градуса на двускатният ламаринен покрив е избран с цел икономии и минимално засенчване на градината. По-стръмен керемиден покрив над къща с размери 15 х 10,5 метра би имал височина най-малко 4 метра, т.е. обемът на подпокривното пространство би бил повече от 300 кубически метра. Обемът на жилищното пространство на къщата е около 450 кубически метра.

(Защо е избран проект на едноетажна къща без етаж под покрива)

Енергетика в собственото жилище и слънчеви нагреватели (слънчеви колектори)

Живеехме в стара къща, която днес разширяваме. Максималната консумация на енергия се отбелязва през зимата, когато духа северен вятър. Но именно през зимата, когато слънцето е ниско над хоризонта и облачността е голяма, обезпечаването с алтернативна енергия ни излиза много скъпо. По думите на проектанта на слънчеви отоплителни системи, стойността на системите за слънчево отопление и топла вода (при това през зимата - между декември и февруари - тя би осигурила само 30% от консумираната мощност - всичко на всичко около 2,4 киловата средноденонощно) би излязла на... около 40 хиляди евро.

Защо да не намалим стойността на домашна отоплителна система, захранвана от алтернативни източници на енергия, като се възползваме от конкретните природни условия и особености в проекта на жилището? Планираната схема за енергоспестяване у дома от алтернативни източници на енергия осигурява допълнителна мощност в пиковото енергопотребление през зимата, особено в студените дни и когато духа северен вятър.

Покривът като ускорител на вятъра и концентратор на слънчева енергия

От практиката е известно, че:
а) върху блестящ ламаринен покрив е горещо
б) върху плосък покрив почти винаги духа вятър.

При нашите условия - 275 метра над морското равнище и чист въздух - при ясно време потокът слънчева енергия върху 1 квадратен метър повърхност, перпендикулярна на слънчевите лъчи дава около 1,2 киловата. На обект, намиращ се над обширен разсейващ отражател, падат не само преки или разсеяни от облаците слънчеви лъчи, но и отразени от отражателя.

За илюстрация ще посоча факта, че при зимни условия (при слънчево време, вятър около 2 метра в секунда, температура на сянка - 3 градуса по Целзий) поставих термометър на преките слънчеви лъчи и измерих:
а) +10 - над поглъщаща светлината повърхност - тъмна бетонна плоча
б) +50 - над отразяваща светлината повърхност - на пресен сняг
в) +40 - над отразяваща светлината повърхност - на поцинкована ламарина (ъгъл на отражение - около 20 градуса).

Опит "в" - ламаринен покрив.

Трудно е да се каже с колко скоростта на вятъра над полегат покрив е по-голяма отколкото на същата височина на открито място. Обтичането на покрива от вятъра е много сложен процес, измерване на скоростта на вятъра не е правено. Интуицията и личните наблюдения обаче ни подсказват, че съществува положителен ефект.

Схема за използване на плосък покрив като елемент от инсталация за извличане на енергия от околната среда

Слънчевото излъчване, отразено от покрива от поцинкована ламарина, частично попада върху дълъг рефлектор, концентриращ лъчите върху черна пластина с тръба или вакуумна стъклена тръба - топлоприемник, през който циркулира топлоносител. Рефлекторът и топлоприемникът са ориентирани в посока изток-запад, дължината на рефлектора е приблизително 1/2 от ширината на покрива - 6 метра. Слънчев колектор, разположен така върху покрива, на 44 градуса северна ширина се осветява от слънцето в продължение на 3-4 часа през денонощието за месец около зимното слънцестоене (от 7 декември до 6 януари, средният ъгъл на падане на слънчевите лъчи по пладне приемаме за 25 градуса).

Въздушният поток от север, обтичайки дома, прилепва към покрива и попада в дълъг процеп между покрива и слънчевия колектор. Под слънчевия рефлектор е поставена допълнителна наклонена плоскост, стесняваща още повече процепа. Полегатият покрив, обратната страна на слънчевия колектор и допълнителната наклонена плоскост създават без допълнителни загуби конфузор (дефузор) - стесняващо се отверстие, през което преминава поток от газ. При това скоростта на движение на въздуха се увеличава. Този ускорен поток от въздух попада върху хоризонтална крилчатка от типа савониус, по цялата дължина на слънчевия колектор. Диаметърът на крилчатката е около 40 сантиметра. "Перките" във фаза на движение срещу вятъра са покрити от нахлуващия поток въздух на допълнителната наклонена плоскост.

Кинетичната енергия на вятъра, превърната в механична енергия на въртящия се вал, може да бъде използвана за привеждане в действие на топлинна помпа, повишаваща температурата на топлоносителя, нагряван от слънчев колектор, или затоплян от почвата на дълбочина от няколко метра (топлинна енергия на почвата, геотермална енергия) - в зависимост от времето през денонощието и температурата навън.

Схема 1.
Използване на плосък метален покрив, профилна поцинкована ламарина за добиване на енергия от вятъра и слънцето.

на схемата:
E sunlight - лъчиста енергия - преки слънчеви лъчи и разсеяно отражение от поцинкована покривна ламарина (профилна настилка, металокеремиди;)
E wind - кинетична енергия на вятъра, обтичаща аеродинамичния профил на покрива - схематично е показано уплътняването на енергията на вятъра (увеличаване скоростта на потока от газ) при обтичането на покрива
E ground - топлинна енергия на почвата, извличана от тръби-топлообменници
ANGLE roof1 - ъгъл на наклон на южния скат на покрива, 13,75 градуса
ANGLE roof2 - ъгъл на наклон на северния скат на покрива, 11,5 градуса
ANGLE sun - височина (ъгъл на издигане над хоризонта) на слънцето през зимата за времето от 10 до 14 часа астрономическо време - 25 градуса

Схема 2.
Слънчев колектор (solar collector, слънчев нагревател), отражател, който заедно с покрива за северния вятър играе ролята на конфузор (ускоряващ движението на газа през стеснения канал, анти дюза).

на схемата:
E light - слънчевите лъчи и разсеяната светлина през облачните дни се се отразяват от металния покрив
V air - поток от въздух (северен вятър) преминава през процеп между покрива и слънчевия рефлектор
1 - слънчев рефлектор (отражател)
2 - тръба с топлоносител - преобразувател на слънчева електромагнитна радиация в топлинна енергия
3 - ветрен двигател от типа "савониус", чиято ос е разположена хоризонтално - върти се обратно на часовниковата стрелка
4 - наклонена плоскост, затваряща долната част на ветрения двигател

Схема 3.
Поглед отгоре на покрив със слънчев водонагревател, под който е разположен ветрен двигател.

на схемата:
roof width - ширина на поцинкования метален покрив в посока изток-запад - 11,5 метра
E light - преки слънчеви лъчи и разсеяната светлина през облачните дни се отразяват от металния покрив
V air - поток въздух, северен вятър
1 - слънчев рефлектор (отражател) с тръба приемник на слънчева енергия

При площ на рефлектора 4,2 квадратни метра и при отчитане на отражението на слънчева енергия от покрива (още приблизително толкова), в слънчев ден по пладне може да се очаква мощност около 10 киловата, т.е. за денонощие - 20...30 киловатчаса. През облачни дни може би ще се получат до 5 киловатчаса топлинна енергия в денонощие. Ако половината от дните са мрачни през най-студените месеци, слънчевият колектор, използващ за отражател покрива, средномесечно може да осигури около 450 киловатчаса топлинна енергия.

Северният вятър в периода от декември до февруари у нас духа средно 150 часа при средна скорост на покрива около 8 м/с (измервания на скоростта на вятъра не са правени, а тя е дадена "на око" - според движението на дима от комините, според движението на снега). Площта, от която се събира кинетична енергия от вятъра (по аналогия на площта на обхват от ветрената турбина), в нашия случай е около 7 квадратни метра. Ако перките на вятърната турбина създават ламинарен поток въздух (еднаква постоянна скорост по целия обхват, нещо, което в приземните слоеве на атмосферата се среща много рядко), то за 7 квадратни метра обхват би била необходима вятърна турбина с диаметър 3 метра.

Един квадратен метър сечение на потока въздух със скорост 8 метра притежава мощност (кинетична енергия за секунда) 0,31 киловата. Може би с помощта на крилчатка е възможно да се получи около 15-20 процента мощност на вятъра от площ 7 квадратни метра, т.е. около 380 вата. За един месец това прави около 57 киловатчаса механична енергия за привеждане в движение на топлинна помпа, приемаща топлинна енергия или от слънчев нагревател (повишавайки неговата ефективност), или от почвата - изсмуквайки натрупаната през лятото топлина.

По този начин в най-студените зимни дни и в периода на пиково потребление на енергия простият слънчев колектор-нагревател и вятърната крилчатка-предавка на топлинна помпа могат да осигурят за месец около 500 киловатчаса топлинна енергия.

първата публикация:
"Покрив отражател за използване енергията на слънцето и вятъра"
energy-saving.hit.bg/articles/solar_wind_energy_reflecting_roof.html