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

Как установить солнечную систему нагрева воды

Гелиосистема устанавливается на скатной кровле, специальных наклонных площадках или стенах здания. Место для водогрейной установки с солнечными коллекторами выбирается индивидуально с учетом следующих рекомендаций:

• южная сторона здания;
• отсутствие видимых препятствий, загораживающих солнечные лучи: деревьев, близлежащих домов и т.д.;
• место должно быть удобным для дальнейшего обслуживания и ремонта системы.

Перед монтажом и регулировкой трубчатых или панельных водонагревателей определяют оптимальный угол наклона установки. В этом отношении руководствуются следующей формулой:

• для лета — (широта + (широта — 22,5 градуса)) ÷ 2;
• для зимы — (широта + (широта + 22,5 градуса)) ÷ 2.

	Ориентация	Угол наклона коллектора
30°	50°	70°
Восток	1,64	1,61	1,61
Восток ­ Юго­Восток	1,45	1,47	1,61
Юго­Восток	1,17	1,15	1,34
Юг ­ Юго­Восток	1,04	0,98	1,14
Юг	1	0,94	1,11
Юг ­ Юго­Запад	1,03	0,97	1,13
Юго­Запад	1,13	1,09	1,27
Запад ­ Юго­Запад	1,35	1,35	1,60
Запад	1.61	1,61	1,61

Угол наклона будет меняться в зависимости от времени года. В связи с этим перед началом зимнего или летнего сезона будет необходимо заново отрегулировать гелиостанцию. Набирает популярность автоматика слежения за солнцем, самостоятельно подстраивающая угол наклона и расположение гелиопанели. В движение конструкцию приводит электромотор, подключенный к бытовой сети на 220 В. Подключение солнечного коллектора к системе горячего водоснабжения осуществляется следующим образом:

• Установка водонагревателя — коллектор монтируется с помощью специальной рамы, при необходимости меняющей угол наклона. Можно встроить гелиопанель в кровлю или поставить на ровной площадке. Допускается одновременное подключение нескольких модулей в единую сеть, посредством гидравлических переходников. При установке моноблока учитывают, что вес наполненного бака достигает 300 кг. В месте монтажа потребуется укрепить конструкцию крыши.
• БКН — бойлер косвенного нагрева необходим для всесезонных гелиосистем. В баке присутствует отдельный змеевик (располагается внизу) к которому, с помощью труб, подсоединяется солнечный коллектор. Ко второму теплообменнику подключается котел.Системы безопасности — в схеме монтажа солнечного водонагревателя трубчатого и панельного типа предусматривается:
  • Устройство для сброса давления — узел, предназначенный защитить от закипания систему ГВС. Модуль подключен к канализации, через трубопровод. При перегреве теплоносителя срабатывает датчик, сбрасывающий горячую воду. Открывается клапан подпитки. В систему ГВС добавляется холодная вода.
  • Защитить солнечную систему от закипания можно при помощи шторок, автоматически закрывающих абсорбер при достижении определенной температуры теплоносителя.
  • Устройство для сброса давления входит в принципиальную схему монтажа солнечного водонагревателя трубчатого типа. Особенность работы этой гелиосистемы в высокотемпературном режиме нагрева. Вода греется до рекордных 60-80°C и может быстро достигнуть точки кипения. Чтобы не допустить перегрева используют группу безопасности.
• Насосное оборудование — необходимо системам горячего водоснабжения на солнечных коллекторах с принудительным движением теплоносителя. Циркуляционный узел включает: группу безопасности и насос. Оборудование подключается к автоматике солнечного коллектора.

Основные правила техники безопасности при эксплуатации гелиоустановок описаны в СниП III-4-80. Отдельные рекомендации указываются производителями оборудования:

• монтаж на высоте свыше 5 м выполняет персонал, имеющий допуск к высотным работам;
• во время составления проектной документации, производят расчет опорных конструкций с учетом возможных ветровых и других нагрузок.
• для компенсации тепловой нагрузки, расширительный бак выбирается с вместительностью не менее 15% от общего объема теплоносителя.
• используется предохранительный клапан, с пограничным значением не более 3 атм.

Применение правил техники безопасности и рекомендаций по подключению гелиоколлекторов, непременное условие для ввода системы в эксплуатацию. При нарушении условий подключения стабильная работа солнечных водонагревателей не гарантируется.

Сомнения прочь

В странах Средиземноморья, где количество солнечных дней – более 300 в году, солнечный коллектор для отопления и нагрева воды можно встретить практически на каждой крыше. Не вызывает сомнения эффективность использования этого источника тепла в южных регионах России. Климат средней полосы считается неблагоприятным для таких энергетических установок. Однако исследования и эксперименты доказывают целесообразность применения гелиосистем. Специальная работа была проведена в институте высоких температур Российской академии наук. Средние показатели интенсивности солнечного потока в зависимости от климатической зоны составляют 150-300 Вт/кв. м. Пиковые показатели достигают 1000 Вт/кв. м.

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.

Виды

В зависимости от работы можно выделить следующие вид гелиоустановок — плоская, вакуумная, воздушная. Рассмотрим подробнее каждый их них.

Плоские

Панель является воздухонепроницаемой и состоит из нескольких элементов:

• Поглощающая пластина или абсорбер напрямую связан с теплопроводящей системой. Покрыт черной краской или специальным покрытием.
• Прозрачное покрытие сделано из поликарбоната или из закаленного стекла с низкой содержанием металлов.
• Термоизолирующий слой. Трубки теплоносителя изготавливают из меди или сшитого полиэтилена.

Принцип работы простой — абсорбер нагревается и передает тепло змеевику, в котором находится теплоноситель. Установка простая в монтаже и использовании.

Преимущества:

• невысокая стоимость;
• возможность устанавливать систему под любым углом;
• высокий КПД в теплое время года;
• не нужно вручную очищать установку от снега и инея.

Единственным весомый минус системы — высокий уровень тепловых потерь. Чтобы минимизировать потери используют утеплители, например, винвату. Однако и это не лучший способ, если температура внутри корпуса и снаружи сильно отличается. Поэтому такие установки малоэффективны для работы в холодное время года.

Вакуумный

Вакуумный или трубчатый коллектор имеет более сложную конструкцию. Панель представляет собой много стеклянных трубок, внутри которых вставлен абсорбер. Каждая трубка полностью вакуумированная, поэтому сохраняет до 97% тепла. Такие коллекторы используют круглый год, они способны эффективно работать при температуре до -37 градусов.

Преимущества:

• низкие теплопотери;
• работа при низким температурах;
• низкая парусность конструкции;
• легкий монтаж.

Недостатки:

• рабочий угол установки 20 градусов;
• необходимо чистить гелиосистемы от снега и инея.

Воздушный

• быстрый нагрев воздуха;
• не нужно использования электричества и газа.

Недостатки:

• Коллекторы работают только при солнечной погоде. При пасмурной погоде эффективность практически нулевая.
•  При монтаже необходимо будет высверливать отверстия в стене или крыше, в зависимости от места установки.

Воздушные солнечные коллекторы сейчас получили широкое применение среди владельцев частных домов. Их использование является дополнительным источником отопления и вентиляции воздуха.

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

Как работают солнечные батареи

Солнечный свет попадая на элементы солнечных панелей, преобразуется в постоянный электрический ток. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный ( в привычные нам 220в), а он, попадая в контроллер, отправляется к потребителям (бытовой технике, осветительных устройств). Аккумулятор же выполняет роль буфера между солнечными батареями и инвертером. Мощность инверторов может быть разной: 250-8000 Вт

Главные параметры, на которые следует обращать внимание: напряжение, мощность. Причем нужно не просто изучить характеристики, а соотнести эти параметры друг с другом. Отмечают наиболее подходящие варианты, исходя из напряжения (В) и мощности (Вт):

Отмечают наиболее подходящие варианты, исходя из напряжения (В) и мощности (Вт):

• 12 В, 600 Вт;
• 24 В, 600-1500 Вт;
• 48 В, от 1500 Вт и выше.

Принцип действия солнечных батарей

Существующие разновидности преобразователей:

1. Автономные. Функционируют без подключения к основной энергосети. При выборе автономных преобразователей учитывают мощность всей подключаемой техники. Дополнительно делают запас, т. к. некоторые устройства при включении создают повышенную нагрузку из-за существенных значений пусковых токов.
2. Синхронные. Модуль подключен к основной энергосети. Он также оснащен аккумуляторной батареей, имеет свойство накапливать энергию. Излишки «сбрасываются» обратно в сеть. При возникновении перебоев (отмечается недостаток электроэнергии), модуль снова получает требуемое количество от основного источника.

Существуют также многофункциональные устройства. Они объединяют возможности первого и второго варианта. Кроме того, различают преобразователи по форме сигнала напряжения:

• синусоида: модули с таким элементами стоят дороже, т. к. обеспечивают более высокое качество тока, появляется возможность подключить крупногабаритную технику;
• прямоугольный: недорогие преобразователи, чаще всего используются для обеспечения питания осветительных приборов, многие виды техники несовместимы с источниками напряжения данной формы;
• псевдосинусоидальный: представители низкой ценовой категории, т. к. качество сигнала ниже, чем в первом случае, они подключаются к любым приборам.

Солнечные электростанции, использующие фотобатареи (СЭС, использующие фотобатареи)

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посёлка.

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.

Схемы подключения преобразователей

Существует несколько схем подключения гелиосистемы в зависимости от их назначения:

• Горячее водоснабжение на лето от коллектора. В схеме предусмотрена естественная циркуляция воды, но для повышения эффективности можно установить насос. Бак монтируется на высоте 80-100 см от емкости для сбора воды. Коллектор с баком соединяется трубами диаметром ¾ дюйма. Стенки емкости утепляют минватой толщиной 10 см и слоем полиэтилена. На зиму воду из системы сливают.
• Круглогодичное использование гелиосистемы для подогрева воды. Для защиты от замерзания в контуре используется антифриз, также монтируется бойлер косвенного нагрева. Подогретый в коллекторе антифриз проходит через змеевик бойлера и подогревает воду в нем. Система укомплектовывается группой безопасности и расширительным баком, также нужен циркуляционный насос.
• Отопление от гелиосистемы. В этом случае также понадобится бойлер косвенного нагрева. Для дополнительного нагревания теплоносителя используют котел на газе или твердом топливе. Осенью и весной котел можно отключить. Для эффективного отопления дома площадь гелиоколлектора должна составлять 40-50% от площади постройки.
• Отопление и горячее водоснабжение от гелиосистемы. Для воды понадобится специальный бойлер с отдельной емкостью и змеевиком для циркуляции теплоносителя. Бойлер дополнительно подключают к котлу на газе, электричестве или твердом топливе.

Усложнение или оптимизация?

Фотоэлектрические тепловые солнечные коллекторы(ФТСК) сочетают в себе использование световой и тепловой энергии Солнца в одном комплекте, то есть они производят солнечное электричество, а также солнечное тепло. Фундаментальную идею этой формы комбинированного сбора альтернативной энергии можно проиллюстрировать оптическим свойством типичного фотоэлектрического элемента из кристаллического кремния.

Примерно 10% солнечного излучения на кристаллическом фотоэлементе отражается и не может быть усвоена.

Около 17% из оставшихся 90% солнечного света, которые поглощаются ячейкой, может быть преобразована в электроэнергию.

73% идёт на нагрев поверхности.

В обычной солнечной панели, тепловая мощность остается неиспользованной. Она повышает температуру ячейки, а это отрицательно влияет на эффективность модуля. В стандартных кремниевых солнечных элементах увеличение температуры ячейки приводит к снижению напряжения разомкнутой цепи и менее выраженному увеличению тока короткого замыкания.

Это приводит к снижению КПД выработки электроэнергии. Производительность солнечных панелей в зависимости от температуры снижается в пределах – 0,37%/°C и — 0,52%/°C для кристаллических кремниевых модулей и между -0,25%/°C и — 0,29%/°C для высокоэффективных модулей.

Основная идея фотоэлектрических коллекторов заключается в использовании солнечного тепла, вырабатываемого в фотоэлементах.

Простейший вариант решения этой задачи состоит в том, чтобы ячейки фотоэлементов крепились на теплоотводящие трубки. Вместо того, чтобы тепло выделялось в окружающую среду, оно может быть затем передано в теплоаккумулятор или водонагревательный котёл.

Такие системы усваивают 80-85% солнечной энергии, и снижая температуру модуля, повышают его КПД.

Преимущества фотоэлектрического коллектора:

• Тепло, генерируемое в фотоэлементах, становится полезным;
• Теплоотвод повышает электрическую эффективность фотоэлементов;
• Производство солнечной электроэнергии и тепла с одной и той же поверхности;
• Высокая поверхностно-специфическая эффективность.

Путем извлечения тепла, производимого в ячейке, увеличивается выход электроэнергии, таким образом, проявляется неспецифический эффекта синергии.

Как работают СЭС

Принцип работы модулей основан на явлении внутреннего фотоэффекта. Под действием света в полупроводниках образуются свободные носители заряда – «дырки» и электроны – под действием электрических полей начинающие упорядочено двигаться. Это и есть постоянный ток.

Схема работы станции 10 кВт такова: в ясную солнечную погоду электроснабжение здания осуществляется от солнечных батарей. Счетчик электроэнергии в это время стоит, так как потребление энергии из общей сети прекращается. Если же освещенности для выработки тока недостаточно, потребление из общей сети возобновляется.

Переключение автономной сети с одного источника питания на другой в автоматическом режиме осуществляет сетевой инвертор. Основное его назначение – преобразование постоянного тока в ток переменный, с теми же характеристиками (частотой и действующим напряжением).

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.

Виды солнечных коллекторов

Планируя солнечный коллектор своими руками и установить в доме, необходимо определиться с типом конструкции:

• Воздушный

• Вакуумный

• Плоский

Модели, у которых теплоносителем является воздух, используются крайне редко. Это связано со свойствами жидкости — тепло она проводит значительно лучше, чем газ. Воздушные коллекторы чаще делают плоской формы, чтобы воздух, контактируя с поглощающим устройством, естественным образом нагревался.

схема воздушного солнечного коллектора

Вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумные модели самые сложные. Вместо коробки, которая покрывается стеклом, у него используются большие по габаритам трубки из стекла. Внутри них имеются трубочки с меньшим диаметром, в которых находится абсорбер, собирающий тепловую энергию. Между трубками – вакуум, он выполняет роль теплоизолятора.

схема вакумного солнечного коллектора

Плоские солнечные коллекторы

Самым распространенным является плоский солнечный коллектор, внутри которого располагается специальный абсорбирующий слой, помещенный в стеклянную коробку. Он соединяется с трубками, по которым перемещается жидкий теплоноситель (чаще пропилен-гликоль).

схема плоского солнечного коллектора

Но решаясь смастерить солнечный коллектор своими руками, необходимо понимать, что сделать столь сложные устройства невозможно, аналогичные промышленным. К тому же, их КПД будет значительно ниже, меньше эксплуатационный срок, но и материальные вложения тоже.

Хотите узнать больше про альтернативное отопление дома ?

Читайте так же, о том как сделать отопление дома на солнечных батареях

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.

Селективное покрытие для солнечных коллекторов

Независимо от того, какие конструктивные особенности будет иметь солнечный коллектор, эффективность его работы определяется селективным покрытием, влияющим на светопоглощающие способности теплоприемников.

При самостоятельном изготовлении коллектора для нанесения селективного слоя можно приобрести специальную краску, но вполне подходит и использование других химических материалов, наносить которые следует тонким слоем:

• черный хром;
• оксиды металлов и, прежде всего, оксид меди;
• газовая сажа;
• черная краска, которую для большего эффекта лучше наносить на какой-либо утеплитель;
• можно выполнить так называемое «воронение» стали, при котором создается зеркальная поверхность.

Но следует учитывать, что не все виды покрытия обладают одинаковым коэффициентом селективности, то есть у них разное поглощение солнечной энергии и способность к ее теплоотдаче.

Когда выбирается селективная краска для солнечных коллекторов, то нужно ориентироваться на показатели поглощения солнечной энергии от 8,5 до 16, которые являются оптимальными.

Также при выборе следует учитывать и срок службы покрытия, который определяется способностью сопротивления таким негативным факторам, как влажность, воздействие солнечных лучей и высоких температур.