Слънчеви системи за производство на топла вода

Основни елементи на различните видове системи, условия за ефективност

Слънцето е един от неизчерпаемите източници на енергия за Земята. Годишно до земната повърхност достига огромно количество енергия. Естествено, интензитетът на слънчевото греене е различен, в зависимост от географското разположение на даден район. За България, в различните географски зони, съгласно изследвания на БАН, той варира от приблизително 1400 до над 1700 kWh/m2. Този факт обяснява и бързото развитие на технологиите за оползотворяване на слънчевата енергия. Едно от най-наложилите се и масово използвани решения са слънчевите системи за производство на топла вода за битово горещо водоснабдяване (БГВ) и за подпомагане на отоплението. Тези системи са подходящи както за еднофамилни жилища, така и за големи хотелски комплекси, офис сгради и други.

Плоски и вакуумно-тръбни слънчеви колектори
Основен елемент на всяка една слънчева инсталация за топла вода, естествено, е слънчевият колектор. Принципно, слънчевите колектори улавят и трансформират, в топлина, пряката и дифузната слънчева радиация. За да бъде максимално ефективен, колекторът трябва да приема слънчевата енергия и да не я отдава обратно, което е особено важно през по-студените месеци от годината. В момента се предлагат основно два вида слънчеви колектори - плоски и вакуумно-тръбни.
Плоските слънчеви колектори, конструктивно представляват корпус, оформен като кутия и изработен от метални профили, обикновено алуминиеви, стоманени или от поцинкована ламарина, в които се полагат абсорберът, изолацията, покритието и тръбните връзки. Необходимо е корпусът да осигурява необходимата якост за безпроблемно транспортиране и монтаж на колектора, лесна поддръжка и сервиз, както и достатъчна плътност, за да се предотврати достъпът на вода и прах. Този вид колектори са често срещани поради относително по-ниската себестойност в сравнение с колекторите с вакуумни тръби. Те, обаче, се считат и за по-ниско ефективни.
Вакуумно-тръбните колектори, от своя страна, конструктивно представляват стъклени тръби, в които се поставя абсорберът, който обикновено е със селективно покритие и конструктивно е оформен като двустранно оребрена тръба. Тръбите обикновено се изработват от висококачествено стъкло, а диаметърът им варира от порядъка на 100 - 200 mm. Дебелината на стената е около 2,5 mm. Поддържането на условия на дълбок вакуум, в тръбите - приблизително 100 Pa, осигурява изключително добра изолация на абсорбера и защита от корозия. В сравнение с плоските слънчеви колектори, при вакуумно-тръбните загубите от отражение на слънчевата радиация са по-ниски. Като техен недостатък обикновено се посочва задържането на сняг и скреж върху тръбите, което води до намаляване на ефективността им при работа в подобни атмосферни условия. Разновидност на колекторите с вакуумни тръби са вакуумно-тръбни колектори с термотръби, които по мнението на специалисти в областта могат да работят и при минусови температури, при условие, че има слънчево греене.
Освен слънчевите колектори, друг задължителен елемент, от соларните системи за производство на топла вада, е

акумулаторът на топлина
Специфична особеност на слънчевите системи за производство на топла вода е необходимостта от акумулиране на произведената топлинна енергия, с цел, използването й в различно време от денонощието, което налага използването на акумулаторен съд. Тази необходимост е обусловена от нестабилното слънчево греене в рамките на денонощието и от факта, че топла вода за отопление и БГВ е необходима, не само през часовете със слънчево греене, но и тогава, когато слънчево греене напълно отсъства. Ефективността на слънчевата система в не малка степен зависи именно от коректния избор на акумулаторен съд. Специалистите съветват акумулаторите да се поставят в помещения, където да бъдат защитени от атмосферните влияния. Обикновено акумулаторите са вертикални и се използват в системи, както с естествена, така и с принудителна циркулация на топлоносителя. Могат да бъдат с един или два топлообменника. Акумулаторите с един топлообменник обикновено се използват в системи, в които не се предвижда възможност за допълнително дозагряване на водата в акумулатора, от котел. Акумулаторите с два топлообменника се препоръчват в случаите, когато слънчевата система се комбинира с едноконтурен котел, а така също ако слънчевата енергия се използва за подпомагане на отоплението. Широко използвани са и слънчевите системи, при които акумулиращият съд е свързан директно с тръбите на колектора.
Системите със слънчеви колектори позволяват различни варианти на изпълнение и окомплектоване на инсталацията, съобразно климатичните особености на района, в който тя ще бъде инсталирана, както и от предвижданата годишна използваемост. Известно е, че в зависимост от  начина на циркулация на водата през колектора, слънчевите системи се определят като системи с естествена циркулация, известни още като термосифонни или пасивни системи, и на системи с принудителна циркулация, наричани активни системи. Всяка от описаните системи би могла да бъде директна или индиректна в зависимост от броя на циркулационните кръгове. Предпочитание се дава на индиректните системи, тъй като с тях се осигурява по-дълъг експлоатационен живот на колектора. Използването на директна система създава значително по-големи рискове от възникване на корозия.
Слънчеви системи с естествена циркулация са сред най-разпространения вид слънчеви инсталации. Причина за това е ниската им себестойност, съчетана с опростена конструкция и лесен и бърз монтаж. Тъй като при тях топлоносителят циркулира благодарение на гравитационните сили, за да се осигури безпроблемно функциониране на системата, е необходимо най-ниската точка на акумулаторния съд да бъде разположена по-високо от най-високата точка на слънчевия колектор и на отстояние, не по-голямо от 3-4 м. Също така, при тези системи има опасност от замръзване на водата в колектора и водосъдържателя, което може да се избегне, ако течността, която се загрява в колектора е незамръзваща и циркулира по затворена серпентина в акумулатора, като по този начин двете течности не се смесват. Акумулаторът в този случай е или добре изолиран, или поставен вътре в сградата. Тези усложнения в системата с естествена циркулация намаляват нейната ефективност и забавят движението на течността и топлообмена, които принципно протичат с не голяма скорост. Тези недостатъци биха могли де се преодолеят, ако се използва система с принудена циркулация, в която е включена циркулационна помпа. В този случай, обаче, се препоръчва използването на допълнителна автоматика за следене на температурата на водата във акумулатора. Тези системи се отличават с по-висока ефективност, което позволява да се намали колекторната площ или от една и съща площ да се добива повече топлина. Колекторът може да се постави на покрива, а акумулаторът навсякъде в сградата. Възможно е използването и на допълнителен източник на енергия за компенсиране на недостига на топлина от колектора при по-дълги периоди на неблагоприятни метеорологични условия.

Условия за ефективна работа
Върху ефективността на слънчевите системи за отопление и БГВ влияние оказват различни фактори. Количеството оползотворено от колектора, слънчева енергия зависи от видът на слънчевия колектор, ориентацията и монтажният му наклон, както и от избора на отделните елементи на системата. Препоръчително е ориентацията на колектора да е на юг, но се допуска и ориентация на югоизток или югозапад. Препоръчителният наклон на колектора да е в диапазона от 30 до 60 градуса, като за оптимален се счита наклонът от 40-45 градуса. Производителите твърдят, че при тази ориентация и наклон сумарната денонощна трансформация на енергия има максимум. По отношение на използвания топлоносител, обикновено се препоръчва използването на химически очистена вода или антифриз на основата на етилен- или пропиленгликол. Добре е да се има предвид, че индиректните системи осигуряват по-дълъг експлоатационен живот на колектора в сравнение с директните, при които опасността от корозия е значително по-голяма.