Существует несколько типов солнечных установок использующие различные поглотители солнечного излучения для аккумулирования энергии.

Самый первый солнечный дом, построенный между 1939 и 1959 г., в Массачусетском технологическом институте архитекторами Х.С. Хоттелом, Б.Б. Воертсом, А.Г. Диетсом, С.Д. Энгебретсоном, имел водяную отопительную систему, ставшую с тех пор классической. Вода, наполняющая солнечные коллекторы, поглощала солнечное тепло. Эта теплая вода накачивалась в аккумуляторы, расположенные в подвале. Горячая вода в аккумуляторах нагревала воздух, нагнетаемый в жилые помещения (рисунок 1).

 

Следующим примером является солнечная энергосистема Лефевра. Эта очень интересная и простая система впервые была использована в 1954 г. Стены здания обогреваются посредством вертикально установленных коллекторов и служат аккумуляторами. Таким образом, обычно очень дорогой аккумулятор тепла устраняется, и вся обогревательная система становится дешевле.

Солнечная энергосистема Моргана. Эта первая европейская система была построена в 1961 г. около Ливерпуля в Англии. Здание отапливается только солнечной энергией и некоторыми незначительными источниками (человеческое тепло, лампы). Солнечные коллекторы и аккумуляторы отсутствуют, т.к. тепло накапливается в стенах и потолке здания.

Солнечная энергосистема Бриджерса-Пакстона. Эта система, разработанная в 1956 г., была одной из первых, где распределение тепла было достигнуто обогреванием пола. Тепло принимается водяными коллекторами. Теплонакопителем и теплоносителем является вода. Система используется в настоящее время почти исключительно европейскими изготовителями.

Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха. Солнце светит и зимой, но его излучение обычно недооценивается.

Солнечная энергия зимой может легко использоваться для отопления помещений. Весной и осенью, когда часто бывает солнечно, но холодно, солнечное отопление помещений позволит не включать основное отопление. Это дает возможность сэкономить часть энергии, а соответственно и деньги. Для домов, которыми редко пользуются, или для сезонного жилья (дачи, бунгало), солнечное отопление особенно полезно зимой, т.к. исключает чрезмерное охлаждение стен, предотвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются.

При солнечном отоплении домов необходимо решать проблему теплоизоляции помещений на основе архитектурно-конструктивных элементов, т.е. при создании эффективной системы солнечного отопления следует возводить дома, имеющие хорошие теплоизоляционные свойства.

Количество полезного тепла, поглощенного солнечным коллектором, зависит от 7 параметров:

* величины поступающей солнечной энергии;

* оптических потерь в прозрачной изоляции;

* поглощающих свойств тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора;

* эффективности теплоотдачи от теплоприемника (от тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора к жидкости, т.е. от величины эффективности теплоприемника);

* пропускательной способности прозрачной теплоизоляции, которая определяет уровень тепловых потерь;

* температуры тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора, которая в свою очередь зависит от скорости теплоносителя и температуры теплоносителя на входе в солнечный коллектор;

* температуры наружного воздуха.

Эффективность солнечного коллектора, т.е. отношение использованной энергии и падающей, будет определяться всеми этими параметрами. При благоприятных условиях она может достичь 70%, а при неблагоприятных снизиться до 30%. Точное значение эффективности можно получить при предварительном расчете только путем полного моделирования поведения системы с учетом всех факторов, перечисленных выше. Очевидно, что такая задача может быть решена только с применением компьютера.

При грубых оценках можно считать, что средняя эффективность коллектора при температуре 40...50° в отопительный сезон составляет около 40%.

Поскольку плотность потока солнечной радиации постоянно меняется, то для расчетных оценок можно пользоваться полными суммами радиации за день или даже за месяц.

В этой системе, основанной на принципе попеременного нагревания и испарения нет солнечных коллекторов и аккумуляторов. Поглощение и аккумулирование солнечной энергии осуществляется лотком с водой глубиной 21 см, установленном на плоской кровле. Лоток сделан из черных полиэтиленовых секций, которые закрываются полиуретановыми пластинами толщиной 4,5 см. Зимой лоток открывают днем и накрывают ночью, когда дом обогревается через потолок. Летом лоток оставляют открытым ночью и накрывают днем, осуществляя таким образом кондиционирование воздуха в помещении.

В Корралес (Нью-Мексико, США) президентом фирмы Zomeworks Corporation Стивом Баером был построен дом, в котором применена система Drumwall.

Баер спроектировал ячейку, которую назвал «зом», и построил из 11 таких зомов дом площадью 185 м2 (один этаж). В доме применены бетонный пол и саманные стены. Его основная особенность заключается в том, что обращенные на юг стены сложены из цилиндрических емкостей по 200 л каждая, которые наполнены водой и поставлены друг на друга. Каждая такая стена, состоящая примерно из 20 бочек, имеет внешнее ограждение в виде однослойного остекления. Общая площадь остекления — 24,1 м2.

Когда светит солнце, окрашенные в черный цвет внешние поверхности открыты, и солнечная радиация, попадая на них через стеклянную пластину, нагревает воду. Ночью или в плохую погоду эти поверхности закрываются с внешней стороны движущимися покрытиями (щиты из тяжелого утеплителя) и отдают жилому помещению тепло, полученное в течение дня.

Наружные отражающие солнечные лучи изолирующие шторы шарнирно прикреплены к основанию каждой стены-коллектора. Днем ставни горизонтально лежат на земле, отражая своей поверхностью дополнительный солнечный свет на стеновые цилиндры. На ночь шторы вручную поднимаются в вертикальное положение, чтобы уменьшить потери тепла от цилиндрических емкостей в окружающее пространство. Шторы имеют алюминиевое отражающее покрытие и изоляцию из картонных ячеек, частично заполненных полиуретаном.

Цилиндры окрашены в черный цвет и поглощают за солнечный день до 1360 кДж/м2. Такой аккумулятор отдает свое тепло в жилое помещение посредством излучения, конвекции и теплопроводности. Плотность теплового потока может до некоторой степени регулироваться с помощью подвижных штор, размещенных между цилиндрами и жилым помещением. Одной из наиболее интересных характеристик этого проекта является мягкое освещение, проникающее между цилиндрами. Обычно цилиндры размещаются в горизонтальном положении. Однако в некоторых случаях Баер устанавливал их вертикально для того, чтобы уменьшить количество воды на единицу площади коллектора.

Система Баера может на 75% покрывать отопительную нагрузку при изменении температуры в помещении не более чем на 5...8°С, остальные 25% восполняются двумя дровяными каминами, которые используются не более 10 раз/год.

Летом изолирующие ставни на ночь опускаются, и цилиндры остывают. Днем ставни поднимаются в вертикальное положение, препятствуя проникновению тепла и удерживая прохладу. В процессе эксплуатации следует принимать меры для предотвращения утечки воды из цилиндров.

Другая особенность проекта — банки с водой небольшой емкости, размещенные под потолком. Эти банки нагреваются через фонарь верхнего света, оборудованный ставнями. Ветряной двигатель накачивает колодезную воду в бак емкостью 20 м3, откуда она самотеком поступает в дом.