Заказать звонок

Заполните форму и мы Вам позвоним!

В формате 123-123-1234 (для России)
или +7-123-123-1234
с до
Закрыть окно

Традиционные типы установок для использования солнечной энергии

Периодически появляется информация о том, что проходит строительство солнечной электростанции или опреснительной установки. По всему миру эффективно используют тепловые солнечные коллекторы и фотоэлектрические солнечные батареи. Популярность распространилась от Африки до Скандинавии. Данные методы эффективного использования солнечной энергии развиваются уже много десятков лет, в Интернете можно найти много разных сайтов, посвященных данной тематике. Поэтому здесь мы расскажем в общих чертах о таких популярных солнечных установках.

Солнечные батареи​

Понятие «солнечная батарея» включает в себя набор одинаковых модулей, которые воспринимают солнечное излучение, и объединяет в одно целое устройство, также тепловое, но обычно данный термин используют, имея в виду панели фотоэлектрических преобразователей, которое преобразует солнечное излучение в электрический ток. Данную технологию активно развивают с середины ХХ века. Большим стимулом для развития данной сферы является познание космического пространства, поскольку конкуренцию солнечным батареям может составить только малогабаритные ядерные источники энергии. Эффективность преобразования солнечных батарей выросла с 1-2% до 15%, а в относительно дешевых моделях более 42%. Также значительно увеличился срок эксплуатации и надежность работы.

Достоинства солнечных батарей

Одно из самых главных достоинств солнечных батарей – это очень простая конструкция и отсутствие подвижных деталей. Поэтому вес таких батарей небольшой в сочетании с высокой надежностью, достаточно простым монтажом и неприхотливым обслуживанием во время использования установки. Солнечная батарея представляет собой плоский элемент, поэтому легко размещаются на скате крыш или стене дома, обращенные к солнцу. При этом экономиться достаточно много пространства внутри помещения. Есть одно немаловажное условие – никакие другие постройки не должны затенять солнечную установку как можно больше времени.

Очередным плюсом является то, что энергия вырабатывается в виде электричества, в наиболее универсальной и удобной форме.

Как известно, нет ничего вечного, и эффективность фотоэлектрических преобразователей также со временем срока эксплуатации значительно снижается. Солнечные батареи состоят из полупроводниковых пластин, которые со временем деградируют и теряют свои свойства, в результате КПД солнечных батарей становится меньше. Ускоряет данный процесс длительное воздействие высоких температур. По последним показателям заметили, что только через 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается на 10%, следовательно, если не будут влиять другие факторы, то через 100 лет сохраниться 2/3 эффективности от первоначального оборудования. Одним словом, срок эксплуатации для современных фотопреобразователей составляет 25-30 лет. Остается всего лишь протирать пыль с поверхности батарей. Если установить батареи таким образом, чтобы они самоочищались, т.е. пыль смывали дожди и пр., тогда такие батареи смогут работать бед дополнительного обслуживания много лет. А это очередной плюс, ведь уход за батареями минимальный, либо вообще отсутствует.

Солнечные батареи могут вырабатывать энергию от рассвета до заката не только в солнечную погоду, но и в пасмурную, когда тепловые солнечные коллекторы обладают температурой, немного отличающуюся от температуры воздуха. Конечно, если сравнивать производительность тепла в ясный солнечный день и пасмурный, то последний проиграет. Поэтому, разработали батареи с максимальным преобразованием энергии именно в тех диапазонах, где облака поглощают солнечное излучение по минимуму. А при выборе солнечных фотопреобразователей необходимо обращать внимание на зависимость напряжения от освещенности, которые вырабатывается – она должна быть минимальной.

Недостатки солнечных батарей

Недостатков у солнечных батарей, конечно же, много. Кроме того, что солнечная установка зависит от погоды и времени суток, есть еще такие недостатки:

  1. Высокий КПД. При правильно выбранной форме и материала поверхности, солнечный коллектор может поглощать все тепло солнечного излучения, которое на него попало – от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона. А солнечные батареи преобразовывают энергию изобретательнее – для рабочего возбуждения атомов необходимы определенные частоты излучения, поэтому в некоторых полосах преобразование проходит достаточно эффективно, а в других такие же частотные диапазоны бесполезные. Кроме этого, энергия уловленных фотонов используется квантово – ее остаток, который повышает необходимый уровень, уходит на вредный нагрев материала фотопреобразователя. Этим и объясняется невысокий КПД установки.
  2. Чувствительность к повышенной температуре. Чем выше температура, тем меньшая работоспособность солнечных батарей. При повышении температуры от 100-125°С работоспособность может временно прекратиться, если температура превышает 125°С, то батареи и вовсе выйдут из рабочего состояния. Повышенная температура ускоряет процесс деградации фотоэлементов. Поэтому следует принимать меры для снижения нагрева батареи, поскольку перегрев будет неизбежен под палящими солнечными лучами. Как правило, производители ограничивают диапазон рабочей температуры фотоэлемента до +70-90°С. Также ситуация усложняется тем, что чувствительная поверхность хрупких фотоэлементов закрыта защитным стеклом или пластиком (прозрачным). Если воздушная прослойка останется между защитным покровом и поверхностью фотоэлемента, то в результате возникает парниковый эффект, который еще больше усугубляет перегрев. Но если увеличить расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента, а снизу и сверху данную полость соединить с атмосферой, то образуется конвекционный поток воздуха, который сможет естественным образом охлаждать фотоэлемент. Но на ярком солнце и при достаточно высокой температуре этого может оказаться не достаточно. Поэтому рекомендуется использовать специальную систему охлаждения. Система охлаждения легко автоматизируется, а работа вентилятора или помпы использует лишь малую долю энергии, которая вырабатывается.
  3. Чувствительность к неравномерности засветки. Для получения напряжения на выходе батареи все фотоэлементы соединяют по принципу цепочки. Ток и мощность в каждом звене можно определить самым слабым звеном – это, как правило, фотоэлемент с наихудшей характеристикой или освещение которого наименьшее. Следовательно, если хотя бы один элемент данной цепочки окажется в тени, то такое звено значительно снижает выработку цепочки. Чтобы избежать данной ситуации, необходимо все фотоэлементы соединять параллельно. При параллельном соединении ток на выходе батареи будет слишком высоким при небольшом напряжении.
  4. Чувствительность к загрязнениям. Незначительный слой грязи на поверхности фотоэлемента (или защитного стекла) поглощает значительную долю солнечного света, следовательно, снижается выработка энергии. В городе с большим количеством пыли потребуется регулярная очистка поверхности солнечных батарей, особенно если они установлены горизонтально или под небольшим углом наклона. Также необходимо после каждого снегопада очищать поверхность от слоя снега. Но если Вы планируете использовать данную установку в загородном доме или в небольшом городе, где нет такого большого количества пыли, то даже при наклоне батареи на 45 градусов такие батареи смогут очищаться благодаря дождям. Поэтому солнечные установки смогут годами служить вдали от источников загрязнений и уход за ними будет намного проще.
  5. Довольно высокая стоимость фотоэлектрических солнечных батарей. Себестоимость элементов солнечных батарей составляет порядка 1$/Вт (1 кВт — 1000$), не учитывая стоимость установки и сборки панелей, аккумулятора, контроллеров заряда и инверторов. Для многих случаев данную цифру необходимо увеличить в 3-5 раз при самостоятельном сборе отдельных фотоэлементов и в 6-10 раз, если Вы решили купить комплект оборудования. Самый короткий срок службы элементов системы энергоснабжения на фотоэлектрических батареях - это аккумулятора. Но производители современных аккумуляторов твердят, что в буферном режимы они работали около 10 лет. Стоит отметить, что цена аккумулятора составляет всего 10-20% от общей стоимости установки, а цена инверторов и контроллеров заряда еще меньше. Итак, учитывая длительный срок эксплуатации и возможность работать длительное время без обслуживания, фотопреобразователи могут окупить себя не один раз, тем более тарифы на электричество стремительно растут вверх, отнюдь не в пользу потребителей.

Солнечные тепловые коллекторы 

Солнечными коллекторами называют устройства, которые используют непосредственный нагрев солнечными лучами, не только одиночными, но и наращиваемыми (модульными). Самый простой солнечный коллектор – это водяной бак черного цвета, который устанавливается чаще всего на крыше летнего душа у дачников.

Современные солнечные установки вовсе не похожи на вышеупомянутый вариант. Обычно это плоские конструкции, в которых используются плоские зачерненные тонкие трубки, уложенные в виде решетки или змейкой. Такие трубки закрепляются на зачерненном теплопроводящем листе-подложке, который в результате улавливает солнечное тепло, попадающее в промежутки между трубками, что позволяет значительно уменьшить общую длину трубок без потерь эффективности. Для того, чтобы снизить теплопотерю и повысить нагрев коллектора сверху он может быть закрытлистом стекла или прозрачного сотового поликарбоната, а с другой стороны предотвращают потери слой теплоизоляции. В результате получается своеобразная теплица. По трубкам распределяется вода или теплоноситель, который нагревается и собирается в накопительном термоизолированном баке. Движение воды происходит под воздействием насоса, либо самотеком за счет разности плотностей теплоносителя до и после теплового коллектора. Для того, чтобы вода распределялась самотеком и эффективно циркулировала необходимо правильно выбрать уклон и сечение труб, а коллектор размещать как можно ниже. Практически всегда коллектор устанавливают там же, где и солнечная батарея – на солнечной стороне стены или крыши, но рядом нужно разместить и накопительный бак. Если бак не использовать, то при интенсивном разборе тепла емкости одного лишь коллектора может быть недостаточно и через небольшой промежуток времени из крана потечет слегка подогретая вода.

Эффективность работы коллектора снижает защитное стекло, которое поглощает и отражает пару процентов солнечной энергии, даже при перпендикулярном поглощении лучей. Если лучи солнца попадают на коллектор под небольшим углом, тогда эффективность работы коллектора приближается к 100%. Именно поэтому при отсутствии ветра и потребности небольшого нагрева воды открытые конструкции более эффективные, чем остекленные. Но если в вашем регионе много ветров и есть необходимость нагрева воды на 20-30 градусов выше первоначальной температуры, то теплопотери при открытых конструкциях очень возрастают, тогда защитное стекло просто необходимо использовать в данных типах конструкции.

Следует помнить, что в жаркий солнечный день нагрев воды может вырасти до температуры кипения, поэтому необходимо в коллекторе предусмотреть предохранительный клапан, в открытых коллекторах такое обычно не случается.

Особой популярностью пользуются солнечные коллекторы на тепловых трубках. Каждая нагреваемая металлическая трубка впаивается во внутрь стеклянной трубки, а из промежутков между трубкой и стеклом откачивается воздух. В результате получается аналог термоса, где за счет вакуумной теплоизоляции снижается теплопотеря в 20 раз и более. В итоге, производители утверждают, что при морозе -35°С снаружи стекла, во внутренней металлической трубке вода нагревается до +50-70°С. Такое эффективное поглощение и хорошей теплоизоляцией есть возможность нагреть воду даже в пасмурную погоду, но и мощность нагрева значительно снижается, чем в яркую солнечную погоду. Основным моментом в таких конструкциях является обеспечение сохранности вакуума в зазоре между трубками в особо большом диапазоне температур, который достигает 150°С на протяжении всего срока эксплуатации. Поэтому необходимо обращаться к высокопрофессиональным и проверенным производителям, поскольку в кустарных условиях качественный вакуумный солнечный коллектор сделать практически невозможно.

Кроме вышепредложенных типов солнечных коллекторов также есть много других интересных конструкций – воздушные, солнечные пруды и др. Но основными моделями все-таки являются жидкостные, поэтому остальные типы коллекторов практические не производятся.

Достоинства солнечных коллекторов:

  • Простота и относительно недорогая стоимость изготовления, которые сочетаются с простотой в эксплуатации. Солнечный коллектор достаточно просто сделать собственными руками. Вам потребуется: несколько метров тонкой трубы (желательно медной), немного черной краски, битумный лак. Трубку согнуть змейкой, покрасить черной краской, разместить в солнечной месте и подключить к водяному устройству. Коллектор готов!
  • Способность солнечного коллектора улавливать и преобразовывать до 90% солнечного излучения, которое попало на устройство. В отличие от фотоэлектрических батарей, для солнечных коллекторов важен общий поток излучения.

Недостатки солнечных коллекторов:

  • Высокая чувствительность к погодным условиям. Легкий ветер даже при солнечной погоде может снизить эффективность нагрева открытого теплообменника. Сократить потери поможет защитное стекло, но когда на улице облачно оно также бессильно. Солнечный коллектор практически ненужный, когда на улице пасмурно и нет солнца, а вот солнечные батареи, даже при плохих погодных условиях, немного энергии все-таки вырабатывают.
  • Сезонность солнечного коллектора. Даже в весеннее-осенние ночные заморозки способны создать все условия для опасности разрыва трубок нагревателя, в которых создается лед. Этого можно избежать подогревая ночами теплицу со змеевиком другим видом тепла, но в таких ситуациях эффективность коллектора может стать отрицательной.
  • Солнечный коллектор является нагревательным прибором, поэтому использовать тепло для получения электрической энергии практически невозможно. Солнечный коллектор используется для подогрева воды, а не для более сложных объемов механической работы он не пригоден.