Солнечные батареи и коллекторы: теория, области применения, рабочие самоделки

Отопление с помощью солнечных батарей

В странах, где две трети дней преимущественно ясные, устанавливают солнечные батареи. Эти устройства работают на основе фотоэффекта и переводят энергию солнца в тепло.

Принцип действия

Это оборудование делится на автономное и функционирующее от сети электропитания. Первые накапливают энергию в аккумулирующих устройствах, что позволяет продолжать обогрев в отсутствие света. Приборы второй категории через специальный инвертор подсоединяются к электросети. Это оборудование довольно надежное, но приостанавливает работу в случае отсутствия электроэнергии.

Плюсы и минусы

Использование солнечных батарей помогает обеспечить бесперебойную работу систем пожарного оповещения, охранного слежения и конструкции отопления.

Они экологичны, износоустойчивы и функционируют бесшумно.

К недостаткам относят низкую производительность, особенно в умеренном и прохладном климате. Первоначально оборудование требует больших вложений, окупается долго, необходимо большое количество вспомогательной техники и квалифицированное обслуживание.

Популярные производители

Лучшие мировые разработчики солнечных батарей:

• Sharp (Япония);
• First Solar (США);
• Suntech Power Ко (Китай);
• Trina Solar (КНР);
• Yingli Green Energy (Китай).

Изготовление самодельного солнечного коллектора

Если вы заинтересовались вопросом, как сделать солнечный коллектор, рассмотрим основные этапы изготовления плоских конструкций:

• Для начала нужно рассчитать габариты будущего обогревателя, исходя из площади отапливаемого помещения. Они также будут зависеть от уровня активности солнца в конкретном регионе, расположения дома, местности, используемых материалов и других факторов. Но отправная точка — все-таки площадь поверхности, на которой он будет установлен.
• Продумать, из чего будет изготовлен абсорбер (приемник). Для этих целей можно использовать медные и алюминиевые трубки, стальные плоские батареи, свернутый резиновый шланг и др.
• Приемник должен быть окрашен в черный цвет.
• Затем нужно изготовить корпус коллектора, для этого подойдут различные материалы. Наиболее распространенный — древесина, можно использовать стекло. Если есть старые окна с остеклением — идеальный вариант.
• Между днищем корпуса и абсорбером нужно проложить теплоизоляционный материал (минеральную вату или пенопласт), который будет препятствовать потерям тепла.
• Всю площадь нагревателя закрыть металлическим листом (из алюминия или тонкой стали), который будет усиливать эффект.
• Сверху уложить трубы змеевика, прикрепить к металлическому листу при помощи строительных скоб или другими способами, концы змеевика вывести наружу.
• Сверху тепловые солнечные коллекторы накрывают светопропускающим материалом, чаще всего стеклом. Можно использовать прозрачный поликарбонат, который более практичен: стоек к механическим ударам, неприхотлив в уходе.
• Бак для воды нужно покрыть изолирующим материалом или покрасить черной краской, чтобы замедлить процесс остывания воды.
• Смонтировать нагревательный элемент на месте и подключить при помощи труб к накопительному баку с водой.
• Провести пусковые работы, проверить разводку по всей длине на наличие течи из-за некачественных соединений.

Схема размеров и расположения солнечного воздушного коллектора

Вакуумный коллектор

По сравнению с плоским устройством, вакуумный коллектор имеет другую конструкцию. Основными рабочими элементами принято считать вакуумированные трубки, а также теплоноситель. Благодаря высокоселективному покрытию стеклянная поверхность устройства поглощает большое количество солнца. Солнечная энергия начинает быстро нагревать внутренний теплоноситель. Ликвидация теплопотерь происходит при помощи вакуумной прослойки. Аккумулированное тепло проходит через теплосборник, двигаясь к самой системе устройства.

Полученную энергию можно применять для нагрева жидкости в накопительном баке.

Если рассматривать работу в целом, то вакуумный коллектор обладает наибольшей производительностью, по сравнению с плоским устройством. Агрегат можно устанавливать на крышу частного дома, в оранжереи, теплицы, парники, летние душевые кабины.

Самым лучшим изолятором считается вакуум.

Специфика использования солнечных коллекторов

Главной особенностью гелиоколлекторов, отличающей их от теплогенераторов других типов, является цикличность их работы. Нет солнца – нет и тепловой энергии. Как следствие, в ночное время подобные установки пассивны.

Среднесуточная выработка тепла напрямую зависит от продолжительности светового дня. Последняя же определяется, во-первых, географической широтой местности, и во-вторых, временем года. В летний период, на который в северном полушарии приходится пик инсоляции, коллектор будет работать с максимальной отдачей. Зимою же его продуктивность падает, достигая минимума в декабре-январе.

В зимний период эффективность гелиоколлекторов снижается не только из-за уменьшения продолжительности светового дня, но и из-за изменения угла падения солнечных лучей. Колебания производительности солнечного коллектора в течение года следует учитывать при расчетах его вклада в систему теплоснабжения.

Еще один фактор, который может повлиять на продуктивность солнечного коллектора, – климатические особенности региона. На территории нашей страны есть немало мест, где 200 и более дней в году солнце скрыто за толстым слоем туч или за пеленой тумана. В пасмурную погоду производительность гелиоколлектора не падает до нуля, поскольку он способен улавливать рассеянные солнечные лучи, но существенно снижается.

Стоит ли покупать солнечный коллектор?

Энергонезависимость, экономичность и экологическую привлекательность, которыми обеспечивают солнечные коллекторы, переоценить трудно. При том, что конструкция трубок практически сводит к нулю теплопотери, гелиоколлектор эффективно нагревает рабочую жидкость и в пасмурную погоду, и при большом минусе зимой.

Благодаря многослойности, вакууму внутри трубок и зеркальной поверхности, не выпускающей тепло наружу, солнечный коллектор может довести агент, циркулирующий внутри системы, до трехсот градусов по Цельсию. Но в бытовых условиях такие цифры не нужны и автоматика регулирует температуру в кране и помещении в зависимости от Ваших предпочтений.

Точно так же на предприятиях выставляется и стабильно поддерживается высокая температура, необходимая для техпроцессов. Еще солнечные коллекторы можно использовать для подогрева воды в бассейне и купаться на улице, не будучи «моржом», до глубокой осени.

Заказать солнечный коллектор с установкой вы можете на странице https://saen.com.ua/oborudovanie/solnechnye-kollektory.html или по т:(097) 61 36 230 в компании Саен. Любая смонтированная ими система отопления работает как часы, выполняет все заявленные функции в полном объеме и только радует своих пользователей.

• подбор солнечных коллекторов под поставленную задачу;
• правильная ориентация солнечного коллектора по сторонам света;
• надежная установка конструкции на объекте;
• грамотная прокладка трассы от вакуумных коллекторов в котельную или место в доме, где стоит;
• оборудование — котел, расширительный бачок и т. д.;
• верный выбор при покупке конечного котельного оборудования;
• настройка автоматики контроля и управления системы.

Солнечный коллектор – преимущества

• бесконечный и бесплатный источник энергии — солнце;
• экономия природного газа — до 60% за сезон;
• круглогодичность;
• полная автоматизация системы отопления и горячего водоснабжения;
• независимость от повышения цен на энергоносители;
• практичность, удобство и надежность;
• долгосрочная инвестиция — минимум 30 лет работы;
• можно наращивать количество — как лего.

Солнечный коллектор – недостатки

• стоимость — первоначально в разработку системы нужно вложить значительную суму денег. Система «под ключ» на 500 л. обойдется примерно в  1500$. Но радует небольшой срок сроком окупаемости — до 3 лет;
• непостоянство — солнце нельзя назвать постоянным источником энергии, поэтому коллектора нельзя рассматривать как единственный источник тепла.

Альтернативные источники энергии — единственный способ освободиться от государственного энергетического рэкета. Используя вакуумные солнечные коллекторы, батареи и тепловые насосы, выплаты за традиционные энергоносители можно снизить до ничего не значащего минимума. Украина, в данное время, — не самое комфортное место для проживания, но и здесь можно строить автономные дома, создавать энергонезависимые проекты. Начните экономить уже сегодня, звоните т:(097) 61 36 230 и специалисты компании «СИСТЕМЫ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ» помогут повысить энергоэффективность вашего дома.

Схема гелиоустановки

Система отопления состоит из следующих компонентов:

• Солнечный коллектор преобразует энергию солнца в тепловую.
• Подающая магистраль доставляет теплоноситель в бак-накопитель.
• Электронасос осуществляет циркуляцию жидкости-теплоносителя.

В баке-накопителе происходит передача тепла от контура гелиоустановки контуру паровой системы отопления дома. В этой емкости может быть размещен дублирующий нагревательный элемент, который автоматически включается, если погодные условия не способствуют нагреву теплоносителя до заданных параметров. Жидкость гелиоустановки соответствует противоречивым требованиям. Она должна быть морозоустойчивой, но в то же время не испаряться при высокой температуре и не быть токсичной. В большинстве установок используется теплоноситель, состоящий из 60 % дистиллированной воды и 40 % гликоля. Автоматика позволяет без участия человека поддерживать нужную температуру внутри помещения и не допускать перегрева теплоносителя.

Солнечная электроэнергия.

Для преобразования энергии Солнца в электроэнергию на сегодняшний день наиболее эффективными являются кремниевые фотоэлектрические батареи. Но их КПД низок и по факту не превышает 14%.

Таким образом, панель площадью 1,0 м2 способна выдать на широте Москвы максимальную мощность порядка 0,11 КВт. И не верьте недобросовестным продавцам, завышающим показатели мощности!

Низкий КПД по большому счету ни о чем не говорит (ездим же мы на автомобилях, двигатели которых имеют КПД=10%). Ставь панель большей площади – и всё. Однако высокая стоимость полного комплекта солнечной электростанции (с панелями, аккумуляторами, автоматикой, преобразователями ~ 1100 $/КВт) продолжает являться в России сдерживающим широкое распространение солнечных панелей фактором. Конечно, в местах, где другим способом получить электроэнергию невозможно или очень сложно и дорого (космос, кемпинг, дом лесника, не электрифицированный поселок), солнечная электростанция является хорошим решением проблемы.

К 2030 году прогнозируемая мощность всех солнечных фотоэлектрических преобразователей в мире превысит 200 ГВт. При этом стоимость произведенной электрической энергии предполагается 0,10…0,15 $/КВт*ч.

Использование гелиоколлекторов в Европе и России

Лидером по использованию солнечных коллекторов в Европе является Германия, Австрия, Греция. Около 15% частного сектора установили или отопления дома. Коллекторы используют в школах, магазинах, больницах, на предприятиях.

В некоторых европейских странах при строительстве новых домов, установка гелиоколлектора обязательна.

В России солнечные коллекторы установил небольшой процент населения. В первую очередь это связано с недостатком информации о таком способе добычи энергии. Роль играет их стоимость, поэтому не каждый может купить такую установку.

Вывод

Одна из важнейших проблем связанная с экологией — это проблема с энергоресурсами, влияние на изменение климата. Поэтому использование гелиоустановок — это хороший способ не только экономии, но и вклад в защиту экологии планеты.

Установка коллектора

Сложность эксплуатации солнечной системы в том, что эффективность зависит от высоты солнца над горизонтом, времени года и суток, наличия облачности, влажности и температуры окружающего воздуха. Солнечный коллектор для отопления помещения в горизонтальной плоскости должен быть ориентирован строго на юг. Отклонения в сторону запада или востока допускаются в пределах 40°. При этом эффективность установки снизится примерно до 20 %. Важную роль играет угол наклона, который должен составлять от 35 до 45°.

Самым разумным вариантом является на стадии проектирования нового жилища предусмотреть, что на крышу будет установлен солнечный коллектор. Цена на подобное оборудование значительно выше, чем на привычное паровое отопление. Но затраты с лихвой оправдаются последующей эксплуатацией. Срок окупаемости, если дом утеплен в соответствии со всеми нормами и правилами, в среднем составляет пять лет.

Солнечный концентратор

Прибор для аккумулирования энергии лучей солнца, имеет функцию теплоносителя. Служит для фокусирования энергии на приемнике излучателя внутри изделия.

Существуют следующие виды:

• параболоцилиндрические концентраторы;
• концентраторы на плоских линзах (линзы Френеля);
• на сферических линзах;
• параболические концентраторы;
• солнечные башни.

Концентраторы отражают излучение с большой плоскости на маленькую, что помогает достичь высоких температур. Жидкость вбирает тепло и перемещает к объекту обогрева.

Важно! Цена приборов — недешевая, а также они требуют постоянного квалифицированного обслуживания. Используется такое оборудование в гибридных системах, чаще всего в промышленных масштабах и позволяет увеличить производительность коллектора

Обзор моделей

«Дачник»

Эта модель стоит около 18500 руб. Этот коллектор способен нагревать воду до 95 градусов и прекрасно подходит для дачных домиков. Имеет гарантию от производителя 12 месяцев. Этого времени достаточно, чтобы убедиться в его надежности.

Данная модель обладает следующими техническими характеристиками:

1. Бак объёмом 100 литров изготовлен из высококачественной нержавеющей стали.
2. Вакуумная трубка имеет длину 150 см.
3. Диаметр трубки (внешний) 4,8 см.
4. Максимально возможное давление в трубке 0,6 Мп.
5. Конструкция устойчива к граду до 0,5 см.
6. Трубки изготавливаются из боросиликатного стекла, обладающего поглощающим эффектом.
7. Общий вес коллектора составляет 45 кг.

Комплектация:

• набор пыльников (уплотнительных) – 1 шт.;
• трубки вакуумные – 16 штук;
• станина и комплект болтов – 1 шт.;
• расширительный бак – 1 шт.;
• бак-термос на 100 л. – 1 шт.;

CP-II-20-175 от «АНДИ Групп»

В комплект входят:

• бак водяной объемом 175 л., внутренний контур выполнен из нержавеющей стали, а наружный из гальванизированной окрашенной стали;
• трубки вакуумные – 20 шт.;
• TNC-2 (контроллер).;

Теплоизоляция бака выполнена из полиуретана (50 мм.). Диаметр внутренний 36 см., внешний 46 см., рама из стали толщиной 1,5 мм., имеющая гальваническое покрытие. Чистый вес установки 86 кг.

Обзор популярных моделей солнечных коллекторов для отопления

Популярной моделью солнечного коллектора плоского типа является изделие Сокол-Эффект А отечественного производства. Такая установка может использоваться круглогодично. Размер панели составляет 2,06 м². Абсорбер изготовлен из алюминия. Поглощает до 95% солнечной энергии. Потери тепла составляют 5%. Средняя производительность установки – 125 л. Жидкость может нагреваться до 50 °С. Цена солнечного коллектора отопления – 17 тыс. руб.

Еще одной эффективной плоской моделью является коллектор FPC-2200. Адсорбер представлен алюминиевой панелью, которая способна поглощать до 94% солнечного излучения. Максимальное давление установки составляет 1 МПа. Активная площадь панели равна 2,1 м². Солнечный коллектор считается высокотемпературной установкой, которая нагревает теплоноситель до температуры 135 °С. Стоимость устройства – 28 тыс. руб.

Плоский солнечный коллектор Сокол-Эффект А может поглощать до 95% солнечной энергии

Лучшим вакуумным солнечным коллектором является модель HH-SCH-12. Устройство состоит из 12 колб длиной 1,8 м и диаметром 5,8 см. КПД коллектора составляет 92%. Рабочая площадь установки равна 1,5 м². Такой солнечный коллектор считается идеальным решением для сплит-систем. Для увеличения производительности можно последовательно объединить несколько таких приборов. Стоит данная модель 27 тыс. руб.

Популярностью среди воздушных солнечных коллекторов пользуется модель Solarventi SV3. Такое устройство может работать в автономном режиме. Коллектор используется для обогрева жилых, складских и технических помещений площадью до 25 м². Полный цикл воздухообмена происходит в течение 2 часов. КПД системы составляет 57%. Коллектор нагревает теплоноситель до 15 °С. Благодаря небольшому весу, который равен 6 кг, устройство можно закрепить вертикально к стене. Стоимость такого коллектора – 40 тыс. руб.

Солнечный коллектор является одним из самых популярных и доступных альтернативных источников тепла для централизованного горячего водоснабжения и отопления дома. Такое техническое устройство можно приобрести в готовом виде или изготовить самостоятельно из подручных материалов, что позволит сэкономить финансы. Выбирать определенный тип изделия следует после изучения всех преимуществ и недостатков конструкции, которые необходимо учитывать для конкретной ситуации.

1 Конструкция и принцип работы

Отопление дома с помощью преобразования солнечной энергии в электрическую используется, как правило, в качестве дополнительного источника тепла, а не основного. С другой стороны, если установить конструкцию большой мощности, а все приборы в доме переоборудовать под электричество, тогда можно обойтись только солнечным коллектором.

Но стоит помнить, что отопление с помощью солнечных коллекторов без дополнительных источников тепла возможно только в южных регионах. При этом панелей должно быть достаточно много. Их необходимо располагать таким образом, чтобы на них не падала тень (например, от деревьев). Размещать панели следует лицевой стороной в направлении, максимально освещаемом солнцем на протяжении всего дня.

Хоть сегодня существует много разновидностей таких устройств, принцип работы у всех одинаковый. Любая схема забирает солнечную энергию и передаёт её потребителю, представляя собой контур с последовательным расположением приборов. Комплектующими, производящими электроэнергию, являются солнечные батареи или коллекторы.

Коллектор состоит из трубок, которые последовательно соединены со входным и выходным отверстием. Также они могут располагаться в виде змеевика. Внутри трубок находится техническая вода или смесь воды и антифриза. Иногда они наполняются просто воздушным потоком. Циркуляция осуществляется благодаря физическим явлениям, таким как испарение, изменение агрегатного состояния, давление и плотность.

Если система будет эксплуатироваться только осенью и весной, то в качестве теплоносителя можно использовать воду. Но в зимнее время её необходимо заменить на смесь антифриза и воды. В классических конструкциях роль теплоносителя играет воздух, который движется по каналам. Их можно сделать из обычного профлиста.

Если коллектор необходимо устанавливать для обогрева небольшого здания, которое не подключено к автономной системе отопления частного дома или централизованным сетям, то подойдёт простая система с одним контуром и нагревательным элементом в её начале. Схема простая, но целесообразность её установки оспаривается, так как работать она будет только солнечным летом. Однако для её функционирования не потребуются циркуляционные насосы и дополнительные нагреватели.

При двух контурах всё гораздо сложнее, но количество дней, когда станет активно вырабатываться электроэнергия, увеличивается в несколько раз. При этом коллектор будет обрабатывать только один контур. Большая часть нагрузки возлагается на одно устройство, которое работает на электроэнергии или другом виде топлива.

Виды устройства

Для преобразования солнечной энергии в тепловую, используются специальные технические устройства, называемые коллекторами. В зависимости от конструкции, их можно подразделить на два вида, это:

1. Плоские коллекторы – в основе этой конструкции лежит плоский короб, закрытый с наружной стороны стеклом, в который помещены трубки, по которым циркулирует теплоноситель. Между трубками уложен утеплитель, а под стеклом прокладывается абсорбер, материал имеющий способность к накоплению тепловой энергии. К внешней сети коллектор подключается через патрубки, монтируемые на входе и выходе укладываемых трубок.
2. Вакуумные коллекторы – в основе этой группы устройств, лежит использование вакуумных трубок, которые крепятся на специальном каркасе и верхней своей частью помещены в слой теплоносителя. Вакуумная трубка состоит из двух трубок, одна из которых медная, помещена в стеклянную, большего размера. Во внутреннее пространство стеклянной трубки помещен материал с высокой степенью абсорбции. Из стеклянной трубки откачан воздух, тем самым создан вакуум, что позволяет улучшить характеристики устройства по накоплению и передаче тепла.

Существует еще один тип солнечных коллекторов, это плоские воздушные устройства. В данной конструкции в качестве теплоносителя используется воздух, но в связи с низким КПД подобных моделей и неэффективностью, подобные коллекторы для отопления домов практически не используются.

Вакуумные трубки

Устройство классической вакуумированной трубки довольно просто. Она представляет собой двухстенную стеклянную колбу, между стенками которой создан вакуум. Внутри расположен медный сердечник (тепловой канал). Такая трубка называется «коаксиальной». Еще один вид — так называемые «перьевые трубки», одностенные колбы с вакуумом в самом тепловом канале.

Принцип работы вакуумной трубки зависит от особенностей строения ее теплового канала и от типа самой колбы. Каналы же, как и колбы, бывают двух видов, прямоточные и типа heat pipe.

Действие прямоточных каналов основано на непосредственном протекании теплоносителя через U-образную медную трубку. Охлажденная жидкость попадает в трубку из теплосборника, проходит через нее, нагревается и возвращается в теплосборник. Там она отдает накопленное тепло основному теплоносителю и возвращается в трубку.

Трубка heat pipe работает несколько иначе. Принцип ее работы основан на переносе тепла посредством легко испаряющейся жидкости, заключенной в тепловом канале. Сам канал (трубка) выполняется из теплоемкого металла (алюминий, медь). Солнечный свет нагревает жидкость, она испаряется из нижнего конца трубки и конденсируется в теплосборнике. Конденсат стекает вниз, где его вновь разогревает солнечный свет. Основной теплоноситель забирает тепло из теплосборника и передает его через коллектор дальше в систему.

Изготовление рамки и сборка панели

В принципе, коллектор уже можно использовать, разместив его на крыше или другой плоской и неподвижной поверхности. Но решил сделать какой-то пластиковый панельный кожух для уменьшения вероятности поломки при подъеме / опускании с односкатной крыши, в которой решил оборудовать уличный душ, так как на зиму подумываю снять. Пошаговая сборка корпуса описана ниже:

• Просверлил отверстия для выхода штуцеров для соединения труб.
• Пластиковый коллектор положил поверх пенополистирола.
• Лист фанеры вырезается по размеру собранного коллектора с нахлестом по 10 см с каждой стороны (ранее я окрашивал черный пластиковый лист аэрозольной краской).
• На фанеру уложен пенополистирол толщиной 50 мм.
• Со всех сторон панели к фанере прикрутили брусок, который служит ограждением.
• Сверху накрыл всю конструкцию плотной полиэтиленовой пленкой, которую скрепил скотчем и скобами с помощью степлера.

Таким образом, я получил коллектор тепла в надежном «футляре», благодаря которому пластиковая панель защищена от механических воздействий. Примечание! Я использовал обычный прозрачный полиэтилен, но на фото он выглядит как белый — это блики.

Преимущества и недостатки

Главный плюс коллекторов в качестве источника тепла – общедоступность солнечной энергии. Даже в хмурую погоду эти устройства улавливают и аккумулируют в себе лучи, обеспечивая нагрев теплоносителя. При этом полностью отсутствуют какие-либо выбросы вредных веществ в атмосферу. По сути это самый экологичный вид энергии.

Коллекторы не производят шума. Благодаря установке на крыше, не занимают площадь участков.

К преимуществам также относят:

1. Длительный срок эксплуатации оборудования. Качественные коллекторы выполняются из ударопрочного материала, которому не страшны осадки и порывы ветра.
2. Независимость от внешних источников энергии. Коллекторы работают при длительном отключении электричества. Их обладателям не страшны перебои с горячим водоснабжением.
3. Экономичность. Гелиоустановки даже при совместном использовании с газом или электричеством сокращают расходы на оплату ЖКУ на 30 – 60 %.

Однако использование солнца в качестве отопления заключается в непостоянности освещенности. Как раз тогда, когда тепло особенно необходимо, его подача уменьшается. Ночью она равна нулю.

Организация отопления солнечными коллекторами требует вложений на покупку оборудования. Окупается сумма за 3 – 5 лет и дольше. В Сибири и на Урале коллектор может выполнять исключительно вспомогательную роль в иной системе, обеспечивая частичную экономию топлива.