Все о солнечных коллекторах для обогрева жилья

Функционирование современного устройства построено на трансформации солнечных лучей в тепловую энергию. Для этого в конструкции предусмотрен поглотитель, который выполнен из металла. На нем имеется покрытие черного цвета, что позволяет максимально поглощать лучи. Внутри циркулирует теплоноситель. Именно он и передает полученную тепловую энергию во внутренний контур, тем самым нагревает воду. Эффективность данной системы позволяет даже в не очень солнечный день получать горячую воду для своих нужд и отопления.

 

Виды солнечных коллекторов

Популярностью сегодня пользуются плоские и трубчатые коллекторы. Первый вид отличается плоской формой поглотителя. Это в значительной степени отражается на его стоимости. В конструкции имеется рама и изоляционный материал. Для установки требуется значительно больше места, чем при установке трубчатого вакуумного коллектора. Он имеет такие преимущества как высокий показатель эффективности и компактные размеры. При этом стоимость выше, чем у плоского коллектора. Обслуживание или ремонт вышедших из строя трубчатых элементов также потребует значительных расходов.

 

Теплоноситель для солнечных коллекторов

 Принципиальная схема работы достаточно проста, но при этом обязательно необходима циркулирующая жидкость. В качестве теплоносителя используется разведенный с водой пропиленгликоль. В результате жидкость в системе зимой не замерзает (до -23), а в летнее время не испаряется. Кроме этого антифриз в системе не должен иметь токсичных элементов (DIN 4745 T1). Чаще всего соотношение воды и пропиленгликоля составляет 60/40. Этого вполне достаточно для обеспечения стабильно жидкого состояния в зимнее время года.

Теплообменник является элементом, который отвечает за перенаправление тепловой энергии с одной среды в другую. Он бывает двух видов: внутренний и внешний. Первый размещен непосредственно в аккумуляторе. Если он выполнен из труб плоской конфигурации, то теплообменник уже встроен в систему. При наличии ребристых труб – установка непосредственно в помещении.

Теплообменники внешнего расположения отличаются более высокой стоимостью и применяются в установках большой мощности. Особенностью можно считать необходимость в дополнительном насосе.

Плоский солнечный коллектор

Данный тип чаще всего встречается. Его конструкция относительно проста, что и обеспечивает доступную стоимость. В качестве теплопоглотителя используется металлическая пластина определенного размера. Специальное черное покрытие обеспечивает достаточный уровень сбора солнечных лучей. Сама же пластина прикреплена к тепловым трубкам из меди. Сверху установлено прозрачное стекло, не имеющее бликового эффекта. Оно способствует сохранению полученной тепловой энергии и защищает теплопоглотитель от воздействия влаги. Теплоноситель, нагреваясь, передает полученную тепловую энергию в контур с циркулирующей водой. После охлаждения цикл повторяется. Даже с учетом невысокого показателя эффективности, солнечные коллекторы плоского типа очень популярны.

 

Трубчатый вакуумный коллектор

Конструкция предполагает размещение теплопоглотителя в герметичной стеклянной колбе. В одном коллекторе их может быть достаточно много. Принципиальное отличие данного вида устройства от плоского аналога – использование свойств вакуума. В результате поглощение солнечной энергии на таком же уровне, а вот потери значительно ниже. 

Существует два типа трубчатых коллекторов. Вакуумные предполагают протекание жидкости напрямую, забирая энергию из поглотителя. Модели достаточно компактные и есть возможность регулировки. Это позволяет точно настроить положение и получать максимально возможное поступление тепла.

Большую эффективность обеспечивают так называемые «жаротрубные» трубчатые коллекторы. Особенностью их конструкции является наличие воды или же спирта вместе с вакуумом. В процессе изменения температуры жидкость в трубках меняет свое состояние на газообразное и обратно. Обязательным условием правильной установки является расположение под углом 25 градусов.

Несмотря на высокую стоимость трубчатого коллектора любого вида, неоспоримым преимуществом является компактность системы и высокая эффективность. Также данная конструкция не предназначается для монтажа непосредственно в крышу дома.

 

Способы монтажа

Производители предлагают несколько способов установки своих солнечных коллекторов. Одним из передовых решений является «Солнечная» черепица. По мнению многих экспертов это очень эффективное решение. Существует два самых распространенных вида высокотехнологичной черепицы:

Применение готовых модулей определенного размера, которые легко устанавливается. Для увеличения их количества специально предусмотрены крепления. Подобный пазл позволяет быстро создать систему нужного размера и мощности.

      Использование специального кровельного покрытия для крыши с уже встроенными солнечными коллекторами. Они выполнены таким образом, что очень гармонично дополняют кровельное покрытие дома.

Любая стандартная солнечная установка также может быть встроена. Это практически идеальный способ для домов с наклонной крышей. По определенным параметрам она даже будет предпочтительней чем «солнечная» черепица.

 

Накопитель для солнечного коллектора

Данное оборудование предназначено для накопления тепловой энергии в воде. Его работа построена на простом физическом принципе. Теплая жидкость поднимается вверх, а холодная опускается вниз. Следовательно, вода для потребления берется сверху, а холодная добавляется снизу. Преимуществами современных накопителей считаются возможность подключения к дополнительному подогреву (бойлер) и высокий показатель сбережения тепла.

 

 

Правила монтажа

Правильная установка обеспечит максимальную эффективность работы всей системы. При этом если даже отклонение от южной стороны будет в пределах 50 градусов, то потери будут незначительными (не более 5%). В случае изменения направления на восточное или западное направление снижение эффективности будет примерно в 20%. Чтобы повысить эффективность даже в таком положении, можно приподнять коллектор или модуль. Для установок обеспечивающих подогрев воды необходимо соблюдать угол наклона на уровне 45 градусов.

Прежде чем приступить непосредственно к монтажу, необходимо выяснить ряд важных моментов. Они касаются конструктивных особенностей крыши и несущей способности. Что бы получить все необходимые показатели необходимо привлечь специалиста. Кровля должна не только выдержать вес покрытия и коллектора, но и нагрузку от природных явлений.

Площади самой крыши должно быть достаточно для расположения коллектора. Наличие разделения различными элементами в виде дымоходов может создать значительные трудности. Кроме этого в случае установки какие-либо ремонтные работы будет значительно сложнее выполнить. Поэтому рекомендуется утеплить кровлю и устранить все изъяны до монтажа солнечного коллектора. Он рассчитан на работу в течении 20 лет и более. Именно столько должно выдержать кровельное покрытие и другие элементы конструкции крыши.

Все что создает препятствие для попадания солнечного света на коллектор должно быть исключено. Поэтому нужно тщательно исследовать зоны затемнения на крыше, чтобы поставить систему в самом лучшем месте. Стоит отметить, что даже антенна может значительно снизить показатель эффективность (до 50%). Деревья и соседние здания могут закрыть значительную часть площади, что еще более снизит показатели попадания солнечных лучей.

Кроме этого существуют и другие неприятности в виде продуктов жизнедеятельности птиц и другого сора. Имеющаяся система самоочистки предполагает, что дождь смоет весь сор с поверхности коллектора. Также необходимо чтобы угол наклона был достаточным для отведения воды вместе с засорениями.

 

Электричество, получаемое от солнечных лучей

Среди возобновляемых источников энергии достаточно перспективным направлением является солнце. При помощи специальных модулей лучи преобразуются в электроэнергию, которая в дальнейшем может накапливаться в аккумуляторах. Даже современные устройства без дополнительного оборудования способны обеспечивать электроэнергией с постоянным током. При помощи специального преобразователя можно получить и переменный ток, что дает возможность запитать от солнечных панелей бытовые приборы или даже отопительную систему. Единственным условием является достаточная мощность.

Главными составляющими батареи любого типа являются полупроводники. Для полноценного процесса трансформации лучей в постоянный ток не требуется каких-либо дополнительных устройств. Достаточно лишь соединение множества полупроводников в одну систему. В солнечных панелях могут устанавливаться кристаллические, тонкослойные или мультикристаллические полупроводники.

Проводники производятся квадратной или круглой формы. Чаще всего основным материалом для их изготовления является кремний. Ток на атомном уровне перемещается с поверхности к аккумулирующему элементу. Подобные монокристаллические элементы имеют длительный срок эксплуатации и дорогостоящие.

Достаточно эффективными являются и мультикристаллические. Их отличительной чертой является наличие характерного узора «обмерзания». Они более доступны по стоимости, а период эксплуатации достаточно продолжительный.  

Самыми доступными являются тонкослойные пленочные элементы. Дешевизна производства основана на нанесении слоя полупроводника на фольгу из стали высокого качества стали или кварцевое стекло. Может применяться не только кремний (аморфный) и кадмий-теллурид, но и арсенид-галлия, медь-индий-селенид, и др. Среди недостатков тонкослойных солнечных элементов главными являются низкий показатель КПД и значительно меньший период эксплуатации, по сравнению с другими видами.

 

Кремний

 Добыча химического элемента кремний достигается путем химического очищения кварцевого песка. По количеству в природе он уступает лишь водороду. Тем не менее, его производство достаточно дорогостоящее. Основным его предназначением является использование в производстве различных деталей для электроники, а также солнечных батарей. Для технических устройств, которые работают на энергии солнца, преимущественно используется моно- и поликристаллический кремний.

В производственных мощностях электронных компонентов требуется относительная чистота данного химического элемента. Поэтому все отходы нашли применение в солнечных батареях. Использование материала низкого качества позволяет более рационально применять имеющиеся ресурсы.

Процесс производства солнечной батареи заключается в резке слитков кремния на очень тонкие пластины. Чтобы удешевить продукцию используют поликристаллический кремний. Несмотря на то, что показатель КПД немного ниже, солнечные батареи с такими облатками достаточно долговечны. Сейчас идет активное исследование кремния низкого качества с целью улучшения показателей и снижения стоимость производства.

Применение кремния аморфного типа позволило значительно удешевить производство. В нем отсутствует кристаллическая структура. Кремневодород (силан) оптимально подходит для изготовления, эффективно поглощающего солнечные лучи покрытия. Им покрывают фольгу или стекло очень тонким слоем, который тоньше кремниевого слоя примерно в 100 раз. Главной особенностью аморфных элементов является возможность использования рассеянного светового потока солнца. Это обеспечивает значительно больший выход при повышении температуры. Хотя показатель КПД и составляет всего около 8% лишь у половины кристаллических элементов.

Адаптация к току обычной электрической сети

Полученная энергия с солнечных панелей должна преобразовываться в инверторе, чтобы ее можно было использовать. Уже с этого устройства будет выходить требуемый переменный ток, позволяющий подключиться к общей электросети. Расположение устройства имеет значение. Для постоянного тока необходима соответствующая проводка большего диаметра. Также сильно большое расстояние будет гарантировать значительные потери. Именно по этой причине инвертор располагают как можно ближе к солнечным панелям для сокращения метража соединительного провода. Также монтаж достаточно жесткого провода будет не лучшим решением.

Во многих системах солнечных панелей инвертор крепится непосредственно к модулю и там же преобразуют получаемую энергию в переменный ток. Подобное решение обеспечивает максимальную мощность.

Основные фиксирующие конструкции подбираются с учетом масштаба и типа системы. В случае монтажа на крыше необходимо обеспечить достаточную прочность и вес. Солнечная система должна выдерживать ветровую нагрузку. С этой целью применяют бетонные плитки или же насыпают гравий.

Монтаж солнечной системы выполняется при помощи специальных креплений. Система будет закреплена на уровне 10-15 см от поверхности кровельного материала. Монтажные комплексы изготавливаются из алюминия, оцинкованной и дрогой прочной стали. В наклонных крышах данный способ крепления позволяет значительно снизить повреждения. К примеру, если кровельным материалом выступает металлочерепица, то отверстий будет всего несколько. А стоимость будет минимальной.

Если же предусмотрен монтаж непосредственно в крышу или фасад, то предусматриваются специальные полотнища. Они одновременно выступают элементом производящим энергию, защитой от ветра, а также украшением фасада. Независимо от способа установки предварительно необходимо определить, какую нагрузку выдержит сама крыша.

В офисных помещениях чаще всего отдают предпочтение светопроницаемым модулям. Они достаточно дорогостоящие и изготавливаются под заказ. В зависимости от размещения выделяют холодный (аддитивно) и теплый фасады. В качестве дополнительных свойств можно выделить повышение звукоизоляции.

 

Солнечные системы типа «остров»

Суть данного решения заключается в установке устройства в отдаленном месте от централизованной электросети. Это может быть:

• Здания (в основном технического назначения);
• Дорожное освещение;
• Строительные площадки и др.

По сути это обычна солнечная система, но с емкими аккумуляторами. В них и накапливается электроэнергия для дальнейшего использования. В отдаленных от цивилизации местах это может быть единственным решением вопроса электрификации отдельных объектов. Так как прокладывать линию к ближайшей сети будет значительней дороже. Единственным существенным недостатком «островной» солнечной системы является потеря накопленной электроэнергии в процессе хранения от 10 до 30%.

 

Моделирование солнечных систем с применением вычислительной техники

Благодаря современному компьютерному обеспечению возможно всестороннее изучение солнечной системы или коллектора. Помимо получения физических размеров можно также узнать эффективность и ряд других параметров. Специальные программные комплексы-симуляторы обеспечивают поиск возможных недочетов и ошибок. Они эффективно применяются для конструирования:

• Масштабных солнечных систем;
• Систем для поддержки отопления;
• Солнечных электростанций;
• Коллекторов бассейнов (воздушные установки) и др.

У большинства производителей имеются собственные программные комплексы, которые рассчитаны в первую очередь на собственные солнечные системы. Это значительно облегчает процесс подбора необходимого количества элементов для требуемой мощности. При этом будет учитываться такой важный фактор как стоимость.