Солнечная энергия неравномерно распределяется по поверхности Земли. Значительное влияние оказывают микроклиматические погодные условия (туманы, снег и т.п.). Поэтому системы, которые используют солнечную энергию, не обладают постоянной мощностью ни в течение светового дня ни в течение года, все расчеты производятся по усредненным данным за определенный промежуток времени.
Основным элементом гелиосистем является
солнечный коллектор (гелиоколлектор). Именно в поглощающей панели гелиоколлектора под воздействием солнечного излучения (инфракрасной составляющей) происходит преобразование солнечной энергии в тепловую, в результате, панель разогревается, а прокачиваемый через ее каналы жидкий теплоноситель отбирает полученное тепло (см.
Общее устройство солнечного коллектора SintSolar). Прозрачная изоляция (стекло) и теплоизоляционный слой уменьшают потери тепловой энергии. В двухконтурных системах (см.
Варианты гелиосистем) нагретый в коллекторе теплоноситель поступает во внутренний (или внешний) теплообменник бака-аккумулятора, где передает полученную тепловую энергию воде. Затем, охладившийся теплоноситель возвращается в коллектор и вновь нагревается - цикл замыкается. Теплоноситель непрерывно циркулирует между коллекторами и баком до тех пор, пока достаточно солнечной энергии, чтобы нагревать воду.
Принцип работы - анимированный рисунок.
От эффективности солнечного коллектора в значительной степени зависит эффективность работы всей системы. Чем больше солнечной энергии поглотит гелиоколлектор, и чем меньше он ее потеряет, тем эффективнее будет работать система.
Потери тепловой энергии в плоском солнечном коллекторе.
Все принципы конструирования солнечных коллекторов сводятся к обеспечению максимального поглощения солнечной энергии и максимальному снижению тепловых потерь. Максимальное поглощение солнечной энергии осуществлено в открытых коллекторах (без стекла), которые применяются только для нагрева воды в открытых бассейнах в теплый и солнечный период года, а самыми минимальными тепловыми потерями обладают вакуумные коллекторы. Но упомянутые коллекторы имеют ряд
существенных недостатков, которые ограничивают повсеместное их использование.
Несмотря на разнообразие солнечных коллекторов (в виде бака, открытые, вакуумные, отражающие), наибольшее распространение получили плоские коллекторы из-за своей универсальности, надежности и неприхотливости. Также данные гелиоколлекторы обладают достаточно высокой эффективностью.
На практике, современный эффективный плоский гелиоколлектор работает со средним
КПД в 50%, более устаревшие модели работают с КПД – 20-40%. КПД солнечного коллектора нестабильный и может определятся только для конкретных условий эксплуатации в отдельный момент времени. Чем меньше температура, до которой требуется нагреть, тем выше КПД гелиоколлектора.
Например, только из-за применения более эффективного поглощающего покрытия (высокоселективного), в облачную погоду разница в эффективности солнечных коллекторов может достигать 45%.
Графики КПД гелиоколлекторов SintSolar CS (высокоселективное поглощающее покрытие поглощающей панели Sunselect) и SintSolar CB (поглощающее покрытие - селективная черная краска) в зависимости от мощности солнечного излучения (с учетом нелинейности).
Т. к. на территории Украины в значительной степени солнечное излучение состоит из рассеянного (на 40-60% в целом по году), необходимо использовать солнечные коллекторы с высокоселективным покрытием поглощающей панели.
Гелиоколлектор практически никогда не работает с максимальным КПД, так как в этом случае температура, до которой требуется нагреть, должна быть не выше температуры окружающего воздуха.
Существует достаточно простая формула КПД солнечного коллектора (без учета нелинейности), по которой можно определить разницу в эффективности любых коллекторов в каждый конкретный момент.
n
0 – произведение оптического КПД (a•t) и коэффициента эффективности поглощающей панели.
a - коэффициент поглощения поглощающего покрытия,
t – коэффициент транспорентности (прозрачности прозрачной изоляции, например, стекла),
Fr – коэффициент эффективности поглощающей панели.
К – Произведение общего коэффициента тепловых потерь коллектора и коэффициента эффективности поглощающей панели при нулевой скорости ветра, Вт/(м2*оС).
T – разница температур между средней температурой теплоносителя в коллекторе и температурой окружающего воздуха, oC.
E – мощность солнечного излучения, Вт/м2.
Солнечный коллектор – это не вся гелисистема, и он не может вырабатывать полезную тепловую энергию самостоятельно, если вся система не работает правильно.
Существует великое множество вариантов гелиосистем,и тепловая энергия, которую они могут выработать в определенный день ограничена, и зависит от многих факторов: конфигурации системы и ее конструктивных особенностей, степени ясности дня, температуры холодной воды, объема бака, температуры окружающего воздуха и т.д., поэтому для корректного расчета гелиосистем необходимо использовать сложные программные продукты.
Ввиду того, что поступающая солнечная энергия на земную поверхность нестабильна во времени, коллекторы почти всегда подключаются к аккумулятору тепловой энергии (бак с водой или специальной жидкостью, бассейн, грунт), который накапливает полезную энергию (системы без аккумулирования тепла значительно менее эффективны).
Условная выработка тепловой энергии для нагрева воды в солнечный день, гелиосистемой, состоящей из 1 м2 эффективного гелиоколлектора и бака с горячей водой на 80-100 л.
Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют экономить до 75% традиционного топлива, которое необходимо для приготовления горячей воды, и до 50% необходимого для целей отопления.
Системы солнечного теплоснабжения считаются одними из самых надежных и долговечных, при условии, если они были правильно рассчитаны, использовалось эффективное и качественное оборудование, а также били качественно смонтированы. Любая ошибка может привести к тому, что система не будет вырабатывать желаемое количество тепловой энергии или вообще быстро выйдет из строя.