Солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы превращают солнечную энергию в тепло. Они являются составной частью термической солнечной установки, применяемой для нагрева хозяйственно-питьевой воды и отопления.

Строение солнечного коллектора

Коллектор поглощает солнечное излучение и превращает его благодаря поглотителю (например, темный листовой металл) в тепло.

Тепло поглощается жидкостью-теплоносителем (солнечной жидкостью), которая течет по медным трубам в поглотитель. Затем тепло по теплообменнику передается хозяйственно-питьевой воде. 

 Виды солнечных коллекторов.

Двумя самыми распространенными видами солнечных коллекторов являются плоский коллектор и коллектор, состоящий из вакуумных труб. Плоский коллектор состоит из плоского слоя поглотителя, стеклянного покрытия, рамы и изоляционного материала.В коллекторе, состоящем из вакуумных труб, поглотитель располагается в вакуумной стеклянной трубке, что сокращает потерю тепла. Коллекторы, состоящие из вакуумных труб, более мощные, но и стоят дороже, чем плоские коллекторы. Коллекторы, состоящие из вакуумных труб, особенно хорошо подходят, если место для установки небольшое.Другим видом являются воздушные коллекторы, которые размещаются в помещениях и нагревают поступающий воздух. Так как в большинстве случаев для производства тепла используется циркуляция воды, то воздушные коллекторы до сих пор не получили широкого распространения.

Жидкость – теплоноситель.

Жидкости, которые применяются для теплопереноса,  называются жидкостью – теплоносителем. Они являются основной составной частью солнечных тепловых установок.

В солнечных тепловых установках в качестве жидкости-теплоносителя используется морозоустойчивая смесь воды и пропиленгликоля, которая протекает по коллектору и отдает полученное солнечное тепло по теплообменнику хозяйственно-питьевой воде. Используемая в солнечных тепловых установках жидкость должна быть, с одной стороны,  морозоустойчивой зимой, чтобы не нанести вред обледенением коллектору или трубопроводу, а, с другой стороны, она не должна испаряться при высокой температуре. Кроме того, следует обратить внимание на то, что эта жидкость биологически расщепляема.Согласно DIN 4757 T1 жидкость помимо этого не должна быть токсичной, едкой или раздражающей. Между тем, в большинстве случаев применяется смесь из 60% воды и 40% пропиленгликоля. Она является морозоустойчивой до температуры -23 градуса и ее температура кипения составляет150градусов.

Теплообменник.

Теплообменник перемещает тепло из одной среды в другую.Теплообменники используются в солнечных тепловых установках для того, чтобы перемещать тепло из солнечной установки в содержащуюся в аккумуляторе хозяйственно-питьевую воду и поддерживать ее температуру.Внутренние теплообменники располагаются непосредственно в солнечном аккумуляторе, внешние теплообменники, напротив, расположены не в аккумуляторе, а  встроены в систему управления. Внутренние теплообменники делятся на состоящие из  гладких труб,   которые обычно поставляются уже вмонтированными в систему, и из ребристых труб, которые устанавливаются непосредственно у потребителя.Внешние теплообменники используются чаще всего в больших установках. У них есть преимущество: от одного теплообменника можно зарядить несколько аккумуляторов, их пропускная мощность выше и они почти не покрываются известью. Но они дороже, чем внутренние теплообменники, и требуют дополнительного насоса.

Плоский коллектор.

Одним из самых распространенных видов солнечного коллектора является плоский коллектор. Его производство стоит недорого, но в сравнении с коллекторами, состоящими  из вакуумных труб,  плоские коллекторы теряют больше тепла.Плоские коллекторы состоят из плоскостного поглотителя, прозрачного не дающего бликов  стеклянного покрытия, теплоизоляции с оборотной стороны и рамы (чаще всего из алюминия или листовой стали).

Поглотитель чаще всего представляет собой покрытый темной краской стальной лист (например, медь, алюминий), который соединен с теплопроводящими трубами. Слой поглотителя «собирает» солнечные лучи и превращает их в тепло, которое потом передается жидкой среде (жидкости-теплоносителю, чаще всего смесь воды и гликоля). А она уже передает тепло в солнечный аккумулятор.Стеклянное покрытие коллектора защищает его поглотитель от влияния окружающей среды и должно минимизировать потерю тепла (парниковый эффект). Подавление бликов защищает от отражения солнечных лучей и увеличивает, таким образом, получение тепла коллектором. Теплоизоляция (чаще всего изоляционный материал из минерального волокна) минимизирует потерю тепла боковыми и задней стенкой коллектора.

Коллектор, состоящий из вакуумных труб.

Коллектор, состоящий из вакуумных труб, также как плоский коллектор, собирает солнечные лучи и превращает их в тепло.В коллекторе, состоящем из вакуумных труб, множество труб соединено в один коллектор.

Трубы сделаны из стекла и эвакуированы, чтобы предотвратить потерю тепла, то есть, в них содержится вакуум.Поглотитель в виде полосы стального листа вставляется в каждую трубу. В большинстве случаев он легко  вращается, что позволяет идеально выровнять его по солнцу. Это увеличивает поступление тепла в коллектор.

Виды.

Существует два вида коллекторов, состоящих из вакуумных труб, которые отличаются по принципу действия: вакуумные трубы, по которым жидкость протекает напрямую, и так называемые «жаротрубные».В вакуумных трубах, по которым жидкость протекает напрямую, жидкость-теплоноситель течет по тепловой трубе (которая располагается в стеклянной трубе) и при этом забирает тепло из поглотителя. Этот вид коллектора монтируется на южной стороне под углом, либо горизонтально на плоской крыше.В «жаротрубной» системе тепловая труба при помощи вакуума заполняется водой или спиртом. Он испаряется уже при низкой температура (около 25 градусов). Возникший пар конденсируется в верхнем конце тепловой трубы и по конденсатору передается жидкости-теплоносителю. Конденсат стекает обратно в трубу. В это м случае «жаротрубные» коллекторы должны располагаться под углом 25градусов.

При помощи коллектора, состоящего из вакуумных труб, можно достичь более высоких температур, чем при помощи плоского коллектора. Минусом коллектора, состоящего из вакуумных труб, является более высокая цена в сравнении с плоским коллектором. Кроме того, большинство коллекторов, состоящих из вакуумных труб, нельзя монтировать в крышу. Однако, они очень удобны, если место для установки небольшое.

Монтаж в крышу.

При монтаже в крышу солнечной установки солнечный коллектор или солнечный модуль встраивается в крышу. Этот вид монтажа больше всего подходит для наклонных крыш.Тем временем некоторые фирмы предлагают коллекторы и модули, которые механически и оптически монтируются в крыши. «Солнечная» черепица соответствует последнему слову техники, она покрывает всю площадь крыши коллекторами и модулями.Монтаж в крышу с оптической точки зрения является самым привлекательным вариантом. Минусом является плохое проветривание задней стенки солнечных модулей, что может привести к плохой производительности модуля (Чем выше КПД модуля, тем он холоднее).

При установке солнечной системы на здание с наклонной крышей установка модулей на крыше обойдется дешевле, чем их монтаж в крышу, так как в этом случае кровля нарушается только в нескольких местах и это не нарушает герметичность крыши.

«Солнечная» черепица.

«Солнечная» черепица – это оптически очень хорошее решение установки солнечной системы на крыше. Преимуществом этого вида монтажа является простота управления. Однако, в сравнении с обычными системами его цена выше.

Существуют различные виды «солнечной» черепицы для  установок, производящих электричество из солнечной энергии, и для установок, производящих тепло из солнечной энергии. Для установок, производящих электричество, солнечные модули могут быть встроены в черепицу, специальной формы.  При этом солнечные модули будут крепиться на крыше так, что не потребуется дополнительная система монтажа, а благодаря специальным штекерным соединениям они будут прочно крепиться друг к другу.

В будущем эту систему можно будет легко расширить. Другой вариант, который подходит также для установок, производящих тепло, - это специальное кровельное покрытие, в которое встроены солнечные коллекторы или модули, что оптически и технически дополняет традиционную крышу. Сейчас существует множество производителей данного продукта. «Солнечную» черепицу сейчас предпочитают использовать и на зданиях, которые являются памятниками архитектуры.

Солнечный накопитель.

Солнечный накопитель хранит подогретую солнечной системой воду для дальнейшего использования. Он является основной составной частью солнечной нагревательной установки.В верхней части накопителя находится самая теплая вода, а в нижней -  самая холодная.

Расслоение обеспечивается природным принципом: теплая вода легче, поэтому она поднимается наверх. В этой системе теплая вода берется из верхней части, а в нижнюю добавляется холодная вода.Хорошие солнечные накопители отличаются низкой потерей тепла, хорошим температурным расслоением и коррозионной стойкостью.Солнечный накопитель может подключаться как к солнечному коллектору, так еще и к системе дополнительного подогрева (например, к газовому бойлеру), что позволяет в случае необходимости подогреть воду. Поэтому традиционные накопители хозяйственно-питьевой воды нельзя использовать как солнечные накопители.

Установка солнечной системы.

Оптимально расположить солнечную установку так, чтобы коллектор или модуль находились на южной стороне. Но даже при отклонении от оптимального расположения производительность установки падает минимально. Отклонения на юго-запад / юго-восток не более чем на 50 градусов не влекут за собой потерю производительности.

При отклонении на юго-запад /юго-восток потери производительности составляют лишь 5%. А расположение установки на восток или запад сокращает производительность лишь на 20% в сравнении с оптимальным расположением. В обоих случаях потерю производительности можно сократить приподняв коллектор или модуль.

Угол наклона, под которым солнечная система устанавливается на крышу или фасад, играет важную роль для потери производительности.  Угол наклона для установок, производящих тепло, должен составлять 45 градусов, для установок, производящих электричество, - 30 градусов.

Азимутальный угол.

Азимутальный угол позволяет расположить солнечный коллектор или солнечный модуль строго на юг.Наряду с азимутальным углом важную роль играет угол наклона и сезонное положение солнца.

Угол наклона указывает, на сколько градусов от горизонтальной поверхности  должен быть отклонен солнечный коллектор или солнечный модуль.

Монтаж на плоской крыше.

Солнечные коллекторы и солнечные модули располагаются на плоской крыше под углом. При установке солнечных коллекторов и солнечных модулей следует обратить внимание на некоторые моменты.Чтобы произвести установку на плоскую крышу сначала надо выяснить, допускает ли статика крыши монтаж, то есть, способна ли площадь крыши, сама крыша и стены нести дополнительную нагрузку.Это не само собой разумеется, так как  плоская крыша должна выдерживать собственный вес, а также ветровую и снеговую нагрузку.

Специалист должен проверить не только нагрузочную способность крыши, но и дополнительную нагрузку от ветра и снега на солнечный коллектор или модуль. Кроме того, площадь крыши должна быть достаточно большой и не должна быть сильно разделена (каминными трубами, надстройками на крыше и тому подобным), чтобы необходимая для коллектора или модуля площадь была по возможности большой и элементы установки не были бы затемнены.

Так как работы по ремонту крыши после установки солнечной системы требуют больших затрат труда, и в зависимости от обстоятельств, демонтажа установки, то следует уплотнить крышу во время монтажных работ, чтобы во время эксплуатации солнечного коллектора или модуля (срок их эксплуатации  20 лет и больше) свести ремонтные работы к минимуму. Исключением являются коллектор, состоящий из вакуумных труб. Обычно модули располагаются под углом так, чтобы получить максимальную производительность. Но их можно располагать на крыше и горизонтально. Поглотитель в них можно повернуть так, чтобы он находился под оптимальным углом к солнцу.

Затемнение.

Затемнение играет особо важную роль для солнечных установок, так как самый слабый элемент солнечной батареи определяет общую производительность всего модуля. В тепловых солнечных установках  влияние частичного затемнения коллектора является менее существенным, однако, все же сокращает его производительность.

Существуют различные виды затемнения солнечных установок. Временное затемнение из-за зелени, снега,  экскрементов птиц,  пыли и тому подобное,  обычно устраняются благодаря  самоочистке коллектора или модуля (смываются дождевой водой). Чем больше наклон установки, тем лучше работает самоочистка. Проблематичным является затемнение, вызванное местоположением, особенно тенью от дымовых труб, соседних зданий, деревьев или антенн. При монтаже следует обратить внимание на то, чтобы на установку не падала тень. Сама по себе маленькая тень может повлечь серьезные потери производительности, так как самый слабый элемент солнечной батареи задает силу тока. Если он затемнен, то общая производительность установки заметно падает. Так тень от антенны может снизить производительность системы на 10-50%. При оптимальном расположении модуля можно сократить потери производительности, вызванные  затемнением. Поэтому прежде, чем монтировать установку, имеет смысл провести исследование зон затемнения. Так же следует обратить внимание на то, что модули должны располагаться на расстоянии, чтобы не мешать работе друг друга.

Элемент солнечной батареи.

Солнечные модули установки, производящей энергию, состоят из элементов солнечной батареи. Существуют следующие виды элементов: монокристаллические, мультикристаллические  и тонкослойные. Элементы состоят из полупроводников, чаще всего из кремния. Они бывают круглой или квадратной формы.

Множество элементов составляют модуль, в котором элементы солнечной батареи соединены таким образом, что по ним может течь постоянный ток. Для этого физического процесса не требуется никакого материала, то есть, элементы солнечной батареи почти производят ток.В монокристаллических элементах  материал (кремний) на атомном уровне размещается в обычных кристаллах. Эти элементы долговечны и имеют высокий КПД.

В мультикристаллических элементах материал при изготовлении состоит из множества отдельных кристаллов, которые выглядят как ледяной узор. В тонкослойных элементах тонкий слой полупроводника наносится непосредственно на стекло или фольгу их высококачественной стали. Для этого используется совсем мало материала, таким образом,  их стоимость изготовления ниже, чем при других методах изготовления. Но и КПД и срок эксплуатации тонкослойных элементов ниже и меньше. В качестве материала используются, например, аморфный кремний, арсенид галлия, кадмий-теллурид, медь-индий-селенид.

Кремний (обзор).

Кремний является вторым после кислорода самым распространенным элементом на земле. Путем химической очистки его добывают из кварцевого песка. Очищенный он используется как в электронной промышленности, так и для производства элементов солнечных батарей.

В технике, работающей на энергии солнца, большая часть элементов производится на основе монокристаллического и поликристаллического кремния. также солнечная индустрия использует отходы электронной промышленности. Используемый там материал имеет высокую степень очистки, а для производства элементов солнечной батареи напротив достаточно кремния низкого качества. При производстве элемента солнечной батареи готовые слитки кремния режутся на пластинки. Эти пластинки должны быть очень тонкими, и в зависимости от формы исходного материала напоминают облатки. Так как производство монокристаллической пластинки кремния очень дорого, то при производстве в больших масштабах чаще всего прибегают к использованию поликристаллического кремния, чей энергетический КПД однако является ниже. Произведенные таким образом тонкие полосы полупроводников являются основой для производства элемента солнечной батареи. Чтобы избежать возможных проблем, связанных с нехваткой материала, и связанного с этим повышения цены, солнечная индустрия намеревается сейчас открыть свое производство кремния. В последние годы исследуется использование так называемого «грязного» кремния. Расходы на изготовление пластинок кремния составляют небольшую часть расходов на использование кремния высокой чистоты.

Аморфный кремний.

Элементы солнечной батареи из аморфного кремния не требуют больших затрат при производстве, так как оно является безотходным. Но его КПД составляет, однако, лишь 6-8%  где-то у половины кристаллических элементов солнечной батареи.

С другой стороны, аморфные элементы используют рассеянный солнечный свет эффективней и выход энергии при повышении температуры элементов больше. Аморфный кремний не обладает кристаллической структурой (если сравнивать с монокристаллическим или поликристаллическим кремнием). Исходным материалом для производства фотоэлемента является силан (кремневодород), который наносится на материал основания (например, стекло или металлическую фольгу). Возникший подобным образом кремневый слой в 100 раз тоньше кристаллического кремневого фотоэлемента. Поэтому он и называется тонкослойный.

Система установки (обзор).

Для различных вариантов установки солнечных систем на зданиях или открытых площадях существуют различные фиксирующие конструкции. Важную роль при выборе фиксирующей системы играет вид коллектора или модуля (например, обрамленный и необрамленный). Сначала следует решить, будет ли солнечная система установлена на крыше или фасаде здания, либо она будет вмонтирована в крышу или фасад.При установке на крышах солнечных систем в случае, если крыша наклонная, используются множество крепежных систем, которые предназначены специально для установки солнечного коллектора или модуля. При этом речь идет, например, о системе реек из алюминия или высококачественной стали.Для вмонтирования в крышу, в случае, если крыша имеет наклон, существуют профили или специальная черепица, к которым уже прикрепляются маленькие солнечные модули. При этом виде установки важно не повредить саму крышу. При установке модуля или коллектора на плоской крыше используются, так же как и в случае наклонной крыши, металлические конструкции, бетонное основание или заполненные синтетическим материалом или цементом формы, которые под углом прикрепляются к кровле. При этом следует обратить внимание на статистическую характеристику плоской крыши. Система реек крепится либо на крышу, чтобы противостоять силе ветра,  либо бетонными плитками (если конструкция металлическая), либо утяжеляется гравием (в случае использования форм), но не прилегает непосредственно к кровле.  Крыша должна выдержать подобную нагрузку. При вмонтировании солнечных элементов в крышу, если она плоская, используются специальные полотнища, благодаря которым можно разматывать гибкие элементы солнечной системы.Солнечные системы при установке на фасады зданий различаются по своим функциям. Они могут размещаться перед фасадом, в этом случае они служат как  производители энергии, оформление фасада и защита от ветра. Для этого существуют специальные рейки и скобы. В случае если солнечные модули или коллекторы интегрируются в фасад здания, то они берут на себя дополнительную  функцию в качестве чехла для здания.

Монтаж на фасад

Интегрирование солнечных систем в фасад используется прежде всего если это большое офисное здание, либо большой многоквартирный дом.Некоторые производители солнечных модулей предлагают сделанные специально на заказ светопроницаемые модули, однако, они довольно дорого стоят.При использование этого метода различаются холодный и теплый фасады. Если фасад холодный, солнечные модули или коллекторы устанавливаются аддитивно, то есть, дополнительно перед фасадом и служат как производители энергии, отделка фасада и защита от ветра.Если фасад теплый, то солнечная система берет на себя дополнительную функцию в качестве чехла для здания. Существуют специальные модули из изоляционного стекла, которые также обладают звукоглушительным качеством.

Планирование солнечных систем при помощи компьютера.

Солнечные системы очень часто создаются при помощи симулирующих программ. Эти компьютерные программы дают сведения о размере всей установки и ее отдельных компонентов, о ее эффективности и экономичности.

При конструировании и дополнительном анализе эти программы могут сыграть важную роль. В то время как при конструировании стандартных систем используются обычные  компьютерные программы, то в случае поиска ошибок в расчетах или при планировании или конструировании индивидуальных систем используются специальные программы – симуляторы. При этом данные программы используются в разных сферах, начиная с планирования больших солнечных систем, систем поддержания отопления, воздушных коллекторов до установок для бассейнов и даже солнечных электростанций. С их помощью также можно рассчитать влияние затемнения.

Большинство производителей элементов солнечных систем имеют в своем распоряжении компьютерные программы, которые настроены на их продукцию. Существуют также производители независимых программ – симуляторов.Преимущество симуляторов заключается в том, что покупатель получает солнечную систему, соответствующую его потребностям, и может рассчитать оптимальное сочетание цены и пользы.

Как солнечная система устанавливается на крышу?

При установке солнечной системы на крыше солнечный коллектор или модуль монтируется при помощи специальных комплектов для монтажа в 5-15см от кровли. Комплекты для монтажа делаются по большей части из оцинкованного железа, алюминия и высококачественной стали.Монтажные рейки цепляют за стропила. Особенно легко устанавливать системы, где коллекторы и модули вставлены непосредственно в рейки. Этот метод не требует дополнительных соединений. При установке солнечной системы на здание с наклонной крышей монтаж на крыше дешевле, нежели встраивание солнечной системы в крышу, так как черепица будет проломана лишь в нескольких местах, что не нанесет вреда герметичности крыши. Но встраивание модулей и коллекторов в крышу является самым оптически симпатичным вариантом, так как на крыше не будет никаких дополнительных конструкций.

«Островная» солнечная система. 

 «Островными» солнечными системами называются системы, которые не связаны с общей электросетью, и которые сохраняют в аккумуляторах электричество, произведенное солнечной установкой. Электричество, произведенное при помощи солнечной системы, сохраняется либо в виде постоянного тока, либо при помощи инвертора преобразуется в переменный ток. Эта система применяется в тех случаях, когда нет доступа к электричеству, соответственно, когда подключение к общей системе будет стоить столько же или дороже, чем использование «островной» солнечной системы, как, например, электричество для беседки или отдельно стоящего здания (хижина пастуха).  «Островными» системами также считаются системы освещения дорог, строительных площадок, счетчики времени на платных стоянках, карманные калькуляторы, если они работают на солнечной энергии. В малозаселенных развивающихся странах «островные» солнечные системы зачастую являются единственной возможностью провести электричество в захолустные деревни (так называемые «сельские домашние системы). При хранении электричества, полученного из солнечной энергии, теряется от 10% до 30% произведенной энергии. «Островные» солнечные системы должны отвечать поставленным требованиям, так как расширение этих систем, как раз в области сохранения энергии, как правило проблематично.

Постоянный ток.

Постоянным током называется электрический ток, который постоянно течет в одном направлении. В отличие от переменного тока, постоянный ток изображается графически как прямая линия, а не как синус (смотри рисунок). Электричество течет от плюса к минусу (техническое направление тока).

Солнечные установки производят постоянный ток, который затем преобразуется при помощи инвертора в переменный ток и подается в общую электросеть. Проводка для постоянного тока имеет больший диаметр, чем для переменного тока. Если солнечная система установлена, то ее уже тяжело перенести, и это влечет дополнительные затраты. Поэтому проводку для постоянного тока делают на сколько это возможно короче. Именно поэтому в солнечной системе инвертор располагают рядом с модулем. Постоянный ток используется по большей части в приборах с небольшой мощностью, например, в карманных фонарях или автомобильных аккумуляторных батареях.

Инвертор.

Произведенный солнечными модулями ток преобразуется при помощи инвертора из постоянного в переменный. Инвертор является связующим звеном между модулями, которые производят постоянный ток, и общей электросетью. Кроме того, этот прибор хранит эксплуатационные параметры и следит за подключением к сети солнечных систем. Размер инвертора зависит от мощности солнечной установки. Также инверторы  отличаются по методу установки.

Модульные инверторы прикрепляются к модулю, производящему солнечное электричество, и непосредственно в нем и преобразуют постоянный ток в переменный. Это обеспечит работу модулей на максимальной мощности. Если несколько модулей соединено между собой (параллельно или в ряд), то самый слабый модуль определяет общую мощность установки. Использование модульных инверторов предпочтительно тогда, когда отдельные модули в течение дня  находятся в тени или мощность постоянного тока должна накопляться. Если несколько солнечных систем связано в линию и ток подается в инвертор от всей системы, то этот инвертор называется линейным. Минусом этого метода является то, что проводка постоянного тока, связывающая модуль и инвертор, достаточно длинна. Проводка для постоянного тока из-за величины диаметра жесткая и поэтому ее очень тяжело прокладывать. К тому же, в сравнении с проводкой для переменного тока проводка для постоянного тока стоит дороже.

Солнечное электричество.

При генерировании солнечного тока солнечное излучение преобразуется при помощи солнечных модулей в электрическую энергию. Этот вид производства энергии называется фотоэлектричество. Солнечный модуль состоит из множества элементов. Эти элементы производят постоянный ток из солнечного света. Постоянный ток можно использовать, например, для зарядки батарей (аккумуляторов) и, таким образом, хранить ток. В этом случае речь идет о так называемой «островной» установке. Однако можно преобразовать постоянный ток в переменный и подключиться к общей электросети.