Лучше всего солярная система работает, когда она спроектирована с учетом реальных местных условий (проведения расчетов, размещение коллекторов и способ использования), на основании следующих исходных данных:
- количества солнечных часов и интенсивность солнечного излучения, меняющаяся в зависимости от загрязнения атмосферы (город, сельская местность, горы);
- годовые колебания внешних температур, ветра или других осложняющих метеорологических явлений, прежде всего, обледенения, поскольку оно обуславливает тепловые потери коллектора;
- положение — идеальное положение на юг (или с небольшим отклонением 45⁰); юго-западное положение является предпочтительным, поскольку максимальная производительность системы наступает, как правило, около 14 часов, когда в связи с максимальной дневной температурой воздуха потери минимальны; автоматический поворот коллектора за движением солнца не экономичен;
- наклон солнечных коллекторов для круглогодичной эксплуатации в средней полосе России может составлять от 30 до 60⁰ относительно горизонта, в летние месяцы более выгоден угол 30⁰, а в зимние — 60⁰;
- затенение коллекторов нежелательно, кратковременное затенение допускается в утренние часы;
- теплопотребление в течение года в идеале должно повторять изменения солнечного излучения. Больше подходят многоквартирные дома и коттеджи. Школы, напротив, не слишком подходят, поскольку в период наиболее интенсивного солнечного излучения они, как правило, не используются.
Коллектора с естественной циркуляцией рабочего тела используют в очень простых миниатюрных системах, предназначенных, прежде всего, для сезонного обогрева. Течение рабочей жидкости в системе происходит благодаря разнице плотности охлажденной и нагретой теплоаккумулирующей жидкости. Накопитель необходимо поместить выше коллектора. Недостатком здесь является низкая регулируемость массообмена (более низкая производительность). Большинство современных коллекторов спроектировано на принудительную циркуляцию жидкости, и в связи с высоким гидравлическим сопротивлением не пригодно для естественной циркуляции. Хотя преимущества очевидны; более низкие расходы на эксплуатацию, максимальная простота, независимость от внешнего источника электроэнергии, высокая надежность.
В коллекторах с принудительной циркуляцией рабочего тела используют циркуляционный насос. Преимуществом здесь являются точное регулирование прохождения рабочего тела через коллектор, обеспечивающее большую эффективность передачи тепла. Уменьшение потока жидкости из-за гидравлических потерь можно компенсировать изменением частоты вращения рабочего органа насоса. Недостатком являются более высокие расходы на эксплуатацию, большая сложность системы, более низкая надежность, риск отключения насоса, зависимость от внешнего источника электроэнергии.
Одноконтурные системы непосредственно нагревают воду без теплообменника. Преимуществом здесь является высокая эффективность передачи тепла, более низкие расходы на эксплуатацию, простота. Недостаток заключается в возможности использования только для сезонной эксплуатации (бассейны), риск вероятности размножения бактерий и водорослей, при низких температурах есть риск замерзания воды. Использование необработанной водопроводной воды приводит к засорению и коррозии коллектора и всей системы. Используется исключительно в самом простом оборудовании для сезонного нагрева воды.
Двухконтурные системы работают с двумя теплообменниками и двумя независимыми контурами. По первому контуру нагретая рабочая жидкость подается из коллектора в теплообменник. Второй контур забирает тепло из теплообменника и передает его к месту использования (накопитель). В первый контур, как правило, заливается незамерзающая жидкость. Преимуществом является возможность круглогодичной эксплуатации. Разница в давлении в контурах дает возможность подачи различных носителей. Недостатком является более низкая эффективность вследствие потерь в теплообменнике, более высокие расходы на эксплуатацию и сложность конструкции.
Существенным преимуществом коллекторов является то, что наряду с прямым солнечным излучением они воспринимают рассеянное излучение, отраженное от облаков, предметов и т.п. [3].
Рассеянное излучение предстает как свет неба; если бы его не было, то и в дневное время небо оставалось бы черным, с четким и ярким солнечным диском.
Для нагрева воды в летний период (бассейн, душ) достаточно использование одноконтурной системы с простым абсорбентом (пластиковая панель с полостями для подогреваемой воды). Для круглогодичной эксплуатации чаще всего используется двухконтурная система с коллекторами, теплообменником и незамерзающим рабочим телом первого контура.
Солнечная энергия также может аккумулироваться в накопителях типа щебень и пр. Однако чем продолжительнее период накопления, тем данная система дороже и менее экономична; поэтому чаще всего используется кратковременная аккумулирование (несколько дней) в сочетании с гибкими отопительными системами, снижающими свою мощность, если в застекленные помещения поступает солнечная энергия.
На территориях с высоким уровнем загрязнения атмосферы необходимо учитывать сокращение эффективного излучения на 5 – 10 %, иногда до 15 – 20 %. На территориях, находящихся на высоте от 700 до 2000 м над уровнем моря, напротив, следует учитывать увеличение эффективного излучения на 5 %.
В Краснодарском крае при южной ориентации остекления в помещениях даже в самый холодный месяц зимы — январь можно удовлетворить теплопотребление в среднем на 40 – 70 %, при минимальных затратах, системой пассивного солнечного отопления. В средней полосе России их эффективность ниже, но применение недорогих средств, регулирующих поступление солнечного излучения через окна, позволяет сберечь энергию [4].
В таблице 1 приведены характеристики одного из секторов солнечной энергетики — солнечных коллекторов основных типов
Таблица 1 – Характеристика основных типов солнечных коллекторов [5]
*солнечный (соляной) пруд, соленое озеро как аккумулятор солнечной энергии было предложено А. фон Калечицким в 1902 г., который обнаружил температуру 70 ⁰С у дна озера Мадве в Трансильвании. При этом температура водной поверхности не отличалась от температуры, наблюдающейся на обычных озерах.
