Солнце как самый альтернативный экологически чистый вид энергии. «Солнечная энергия» доклад

> > Как образуется солнечная энергия

Источник солнечной энергии : описание и характеристика создания Солнцем энергии, выброс в космос к Земле и планетам, ядерный синтез, структура звезды с фото.

Как производится солнечная энергия? Солнечная энергия появляется в результате превращения водорода в гелий путем реакции ядерного синтеза в центральной части нашей звезды. Это означает, что имеющиеся в ядре в огромном количестве атомы водорода максимально сближаются и затем сливаются в атомы гелия. Полученная энергия Солнца затем излучается из ядра и передается в межзвездное пространство . Конечно, это не исчерпывающий ответ на вопрос, поэтому ниже более подробно описано, как именно энергия передается от ядра Солнца к Земле и другим объектам в Солнечной системе.

Процесс ядерного синтеза в ядре Солнца

Ядро простирается от центра звезды до четверти ее радиуса. Оно имеет плотность около 150 г/см3, а температура его вещества близка к 13 600 000 К. Энергия, производимая в результате ядерного синтеза, получается в ходе серии протон-протонных циклов превращения водорода в гелий. Ядро является единственной частью Солнца, которая производит значительное количество энергии посредством синтеза (почти 99%).

Остальная часть звезды нагревается солнечной энергией, которая передается из центра. Прежде чем уйти в космическое пространство в виде кинетической энергии (в данном случае, в виде солнечных лучей), энергия проходит через множество слоев к солнечной . Протон-протонные циклы происходят около 9,2 × 10 37 раз в секунду. Реакция превращения водорода в гелий высвобождает около 0,7% синтезированной массы в виде энергии, и это составляет около 4,26 млн тонн в секунду.

Следующая зона – зона излучения Солнца. Здесь плазма достаточно плотная и горячая, чтобы тепловое излучение могло передаваться от слоя к слою, и тепловая конвекция отсутствует. Температура вещества падает по мере удаления от центра. Градиент температуры меньше адиабатического градиента, поэтому конвекция здесь физически невозможна. Тепло передается фотонами, испускаемыми ионами гелия и водорода, которые проходят небольшое расстояние и опять поглощаются.

Далее идет солнечная зона конвекции. Здесь солнечная плазма недостаточно плотная и горячая для передачи внутреннего тепла путем излучения. Конвекция происходит путем переноса слоев, несущих горячее вещество, наружу – в фотосферу. Как только плазма остывает в фотосфере, она обратно погружается во внутреннюю часть зоны конвекции и нагревается от наружной части зоны излучения. На поверхности Солнца температура плазмы снижается до 5 700 К. Турбулентная конвекция этого слоя вызывает эффект, который приводит к появлению магнитных полюсов по всей поверхности звезды

Наконец, в фотосфере появляется солнечный свет, который может свободно распространяются (перемещаться) по межзвездному пространству. Эта энергия излучается на поверхность или в атмосферу тел Солнечной системы. Атмосфера фильтрует часть ультрафиолетовых лучей, но определенное количество этой энергии все же достигает земной поверхности, затем отражается от нее обратно в атмосферу. После такого рикошета Земля поглощает часть энергии, и наша планета нагревается. Технологический прогресс позволил создать солнечные батареи, позволяющие использовать естественную солнечную энергию в бытовых целях.

Сегодня достаточно остро стоит вопрос обеспечения человечества энергоресурсами. Все знают, что ученые давно бьются над поиском альтернативных источников. Печально, что за последние годы на бытовом уровне явного прорыва в этой отрасли не произошло. Нашим людям недоступны солнечные технологии. Человечество нашло много нетрадиционных способов получения энергии: геотермальные станции, волновые и приливные электростанции, гидроэлектростанции, ветряки, водородная и космическая энергетика, биотопливо и даже гроза. Это неполный список находок человечества.

Второе место альтернативной энергетики

Второе место после ветряков, по совокупности достоинств и недостатков заняла – энергия солнца. Бесконечный источник, который всегда оставался у нас перед глазами, правда эффективно использовать его мы пока не научились. На практике кремниевые батареи способны продемонстрировать не более 22% коэффициента полезного действия. Они покажут КПД на уровне 75-80%, но применяются только как отопительные элементы. Плоские вакуумные коллекторы более требовательны к условиям использования, вакуум тяжелей удержать в такой большой системе, чувствительной к деформациям корпуса.

Хотя нас больше всего интересует использование этого источника в отоплении. Многие не против обогреть свой дом за счёт природной энергии, а не за счёт кошелька. Тут нас и ожидает самое неприятное. Стоимость столь высока, что альтернатива перестает быть заманчивой.

Поэтому, предлагаю взглянуть на эту проблему, с привычной для нашего человека стороны. А именно посмотреть, как можно погреться, не выкладывая заоблачные суммы. Сложно теперь понять, кто первый придумал использовать пиво именно так, но воздушные коллекторы из пивных банок сейчас конструируют в Америке, Европе да и вообще по всему миру. Их оснащают термостатом, микроконтроллером и дополнительным наддувом. В вашем исполнении он будет нужного размера и гораздо меньшей стоимости. Хотя, если пить пиво специально, то в последнем я не уверен.

Панели своими руками

Устройства из алюминиевых банок

Для создания первой батареи не нужно быть опытным мастером. Энергию солнца вы все равно сможете поймать. Для этого понадобится некоторое количество пивных банок, несколько квадратных метров ДСП, приблизительно столько же утеплителя и силиконовый клей.

Торцы банок аккуратно вскрывают по рантику. При желании зачищают наружную поверхность для лучшей адгезии и склеивают трубы необходимой длины. После они вклеиваются рядами в короб, размеры которого мастеру подскажет фантазия и красятся в чёрный цвет. Желательно термостойкой краской.

Все внутренние поверхности утепляются. Советуем использовать экструдированный пенополистирол, впоследствии окрашенный чёрной краской. А с утеплителем экспериментируйте. Сами трубы, в итоге должны расположиться вертикально, а верхние и нижние торцы, соединиться между собой, как регистры батареи.

Коллектор из алюминиевых банок своими руками

Вверху и внизу делают патрубки подачи, приема воздуха, которые нужно будет завести в ваше жилище. На вход поставьте маленький кулер, а на горячий выход слегка модернизированный автомобильный термостат или применить другой способ терморегуляции. Практика доказывает, что он может стать неплохим подспорьем для вашей отопительной системы. Главное – это качественная, герметичная сборка и расположение батареи. С лицевой, закройте короб стеклом, а лучше поликарбонатом. По расчётам специалистов, необходимо 15 квадратных метров коллекторов, для обогрева дома размером в 100 квадратов. Подобная чудо-альтернатива значительно уступит промышленным образцам, но всё же…

Параболо – концентрический зеркальный концентратор

В Европе их используют, ограничиваясь всего лишь перфорированной поверхностью алюминиевых сплавов.

Стоимость таких обогревателей велика из-за больших размеров и дорогих материалов. Поэтому рассматривать самодельные плоские теплообменники не стоит. Следующий вариант заинтересует загородных жителей. Отличие его радикально практически во всём. По сути, это параболо-концентрический зеркальный концентратор энергии солнца. Но главная выгода, заключается в применяемых материалах. Концентратор – это выгнутое в одной плоскости зеркало, концентрирующее лучи солнца в определённой точке. Здесь применяются три хитрости.

Материал зеркала, размер отражающей поверхности и тепловой аккумулятор. Пугающее изогнутое зеркало, оказывается изготовлено из зеркальной пленки. Зеркальная пленка наклеивается на вогнутую в виде желоба поверхность. Основанием для зеркала, стоит выбрать тот же пресловутый пенополистирол.

А в качестве несущих конструкций, выступят различные материалы: от древесины до металла. Изготовляется необходимое количество зеркальных сегментов, которые крепятся на несущие каркасы.

В каком-то смысле, вся конструкция напоминает детские качели, где вместо сиденья выступают зеркала, а на оси располагается трубопровод – теплообменник. Поскольку это загородное решение, размеры здесь могут быть внушительные.

Солнечный концентратор из спутниковой тарелки

Водные солнцеуловители

Ряд подобных устройств располагается вдоль движения солнца. Зеркало фокусируется в одну линию, откуда теплоноситель и заберёт питание. Теплоносителем будет обыкновенная вода, которая бежит по тонкостенным трубам, идущим в несколько рядов. Используйте нержавеющие или обычные тонкостенные стальные трубы нужного диаметра. При таком серьёзном подходе в этой системе не обойтись, без габаритного аккумулятора тепла.

Здесь существуют готовые решения, но и полёт фантазии приветствуется. К примеру, – “бассейн” на несколько кубов, изготовленный из пенопласта и деревянных опор. Внутренняя поверхность выстилается плотной тепличной пленкой. А прочность бортов рассчитывают на удержание нескольких кубов воды. Из подобных материалов устраивают и крышу закрывающую этот мини бассейн, в форме пирамиды.

Подобная простота конструкции в купе с незамысловатыми материалами, обеспечивают высокую ремонтопригодность. И замену отслуживших свой срок деталей. Стоимость тоже будет значительно отличаться. Разместить такое хранилище тепла лучше на открытом пространстве, это обеспечит легкий доступ в случае необходимости.

Зеркало на несущий конструкции, должно иметь возможность поворота по вертикали. В этом случае концентратор следит за светилом круглый год. Трубопровод включается в общую систему отопления для экономии средства.

Солнечный вакуумный коллектор

Далее ставки начинают повышаться. Речь к сожалению идёт о цене. Стоимость их довольно высока, хотя и КПД тоже достаточно большой. Его невозможно сделать самому, потому что в производстве используется высокопрочное боросиликатное стекло с пониженным содержанием металла.

Для контроля за вакуумом используется бариевый газопоглотитель. Если герметичность не нарушена, то трубка имеет серебристый цвет, если же она побелела, значит нарушена целостность. Вакуумные коллекторы менее остальных зависят от погодных условий, поскольку тепловой канал отделен от атмосферы вакуумом. А вакуум как известно, отличный теплоизолятор. В плохую погоду они поглощают инфракрасное излучение, проходящее сквозь облака. Ещё один плюс в пользу такой технологии.

Виды вакуумных коллекторов

Их существует несколько, некоторые из них более удачной конструкции, но они дороже. Самым удачным считается коллектор с перьевой трубкой и прямоточным тепловым каналом. Принцип устройства во всех случаях приблизительно одинаков. Колба представляет собой вытянутый, тонкий термос, с вакуумом между его стенками. На внутреннее стекло наносится высокоабсорбирующее покрытие, а внутри помещается тепловая трубка с теплоносителем.

Теплоносители принципиально отличаются. В одном случае, это легко испаряющаяся жидкость, перенос тепла происходит посредством испарения и конденсации. С прямоточным каналом, теплоноситель протекает по каждой из тепловых трубок, перенося и отдавая энергию. Основной недостаток – высокая цена и сложность в ремонте. В случае ремонта некоторых вакуумных коллекторов, из гелиосистемы придётся сливать теплоноситель. Разница кпд в зависимости от производителя бывает довольно значительной и может быть даже двукратной.

С вакуумными трубками собрать систему проще, поскольку основной элемент готов. Остаётся обеспечить контакт медного поглотителя с теплоносителем всей системы, а батареи из вакуумных трубок в безопасном кожухе поместить на освещённое место. Конечно сборку и монтаж большой системы лучше доверить специалистам. Гелиосистема с такими элементами часто перегревается и закипает и за ней нужен определённый контроль. Если ваше основное отопление имеет большой литраж и перегрева не будет, вспомогательный модуль попробуйте собрать самому.

Делим их на три вида:

• на основе моно-элементов
• на основе поли-элементов
• аморфные они же – плёночные. К ним также относят панели на основе теллурида кадмия, на основе селенида меди-индия и полимерные.

Здесь есть свои плюсы и минусы. Плюс в том, что на выходе мы получаем электричество, применение которого очень широко. Поликристаллические панели, имеют средний коэффициент полезного действия 12-18%, дешевле в изготовлении. Монопанели напротив, дороже и имеют выше КПД – 18-22%. Аморфные панели имеют самый низкий кпд 5-6 % но демонстрируют ряд преимуществ. Оптическое поглощения в 15- 20 раз выше, чем у поли и монокристаллов. Толщина меньше 1 мкм. Имеет хорошую производительность при пасмурной погоде, высокую гибкость. Применяют полимерные батареи там, где наибольшее значение имеет эластичность и экологичность. Дополнительно к панелям потребуются системы заряда, трансформации напряжений, распределители питания. Это и инверторы, аккумуляторы, контроллеры. Кремниевые элементы, чувствительны к загрязнениям, а при высоких температурах может потребоваться система охлаждения, хотя современные конструкции предусматривают это.

Совсем недавно австралийские учёные умудрились установить рекорд в 35% эффективности, принципиально новой разработкой в этой области. Хотя французы заявляют о разработке модулей с КПД в 46%, компаниями Soitec, CEA-Leti и Институтом Фраунгофера. Но простым смертным такого долго не видать. Кроме этого есть у кремниевых батарей ещё недостатки. В Америке применение таких панелей началось в шестидесятых годах, но наши умельцы похоже ещё долго будут мастерить подобия из дешёвых аналогов с востока. Всё-таки слишком ценный способ экономить для простого человека. Хотя, очень привлекательно получить определённую автономность в электропитании.

Также есть новации в отрасли автомобилестроения, авиации, кораблестроения. Выставочные, единичные или экспериментальные экземпляры существуют, но пока что, это остаётся роскошью. Порой, из прошлого возникает хорошо забытое старое, например освещение, с помощью световых колодцев. Способ знакомый еще со времен седых пирамид.

Некоторые хотят воплотить в жизнь идею солнечных дорог. Появились прозрачные элементы и самолёт, способный облететь землю на световом парусе. Германия поставила рекорд по количеству получаемой энергии в день, а в Индии целый аэродром перешёл на питание природным ресурсом. Наверняка близок тот день, когда технологии позволят нам брать от солнца ровно столько, сколько нам нужно.

В последнее десятилетие солнечная энергия, как альтернативный источник энергии используется все чаще для отопления и обеспечения зданий горячей водой. Основная причина – стремление заменить традиционное топливо доступными, экологически чистыми и восполняемыми энергоресурсами.

Преобразование солнечной энергии в тепловую происходит в гелиосистемах – конструкция и принцип действия модуля определяет специфику его применения.

Гелиосистема – комплекс для преобразования солнечной лучевой энергии в тепловую, которая в последствии передается в теплообменник для нагрева теплоносителя системы отопления или водоснабжения.

Эффективность гелиотермической установки зависит от солнечной инсоляции – количество энергии, поступающей в течение одного светового дня на 1 кв.м поверхности, расположенной под углом 90° относительно направленности солнечных лучей. Измерительная величина показателя – кВт*ч/кв.м, значение параметра меняется в зависимости от сезона.

Средний уровень солнечной инсоляции для региона умеренно-континентального климата – 1000-1200 кВт*ч/кв.м (в год). Количество солнца – определяющий параметр для расчета производительности гелиосистемы.

Использование альтернативного энергетического источника позволяет отапливать дом, получать горячую воду без традиционных энергозатрат – исключительно посредством солнечного излучения

Монтаж системы гелиотеплоснабжения – дорогое мероприятие. Чтобы капитальные расходы оправдали себя, необходим точный расчет системы и соблюдение технологии установки.

Пример. Усредненная величина солнечной инсоляции для Тулы в середине лета – 4,67 кВ/кв.м*день при условии установки панели системы под углом 50°. Производительность гелиоколлектора площадью 5 кв.м рассчитывается следующим образом: 4,67*4=18,68 кВт теплоэнергии за день. Этого объема хватит для подогрева 500 л воды с температуры от 17°С до 45°С.

Как показывает практика, при использовании гелиоустановки, собственники коттеджа в летний период могут полностью перейти с электрического или газового обогрева воды на солнечный метод

Говоря о целесообразности внедрения новых технологий, важно учесть технические особенности конкретного гелиоколлектора. Одни начинают работать при 80 Вт/кв.м солнечной энергии, а другим достаточно – 20 Вт/ кв.м.

Даже в южном климате, применение коллекторной системы исключительно для отопления не окупится. Если установка будет задействована исключительно зимой при дефиците солнца, то стоимость оборудования не покроется и за 15-20 лет.

Чтобы максимально эффективно использовать гелиокомплекс, его необходимо включить в систему горячего водоснабжения. Даже зимой гелиолектор позволит «урезать» счета за энергоносители на подогрев воды до 40-50%.

По оценкам экспертов, при бытовом использовании гелиосистема окупается приблизительно за 5 лет. При росте цен на электроэнергию и газ срок окупаемости комплекса сократится

Кроме экономической выгоды «солнечный обогрев» имеет дополнительные плюсы:

1. Экологичность. Сокращается выброс углекислого газа. За год 1 кв.м гелиоколлектора предотвращает поступление в атмосферу 350-730 кг отработки.
2. Эстетичность. Пространство компактной ванны или кухни удается избавить от громоздких бойлеров или газовых колонок.
3. Долговечность. Производители уверяют, что при соблюдении технологии монтажа, комплекс прослужит порядка 25-30 лет. Многие компании предоставляют гарантию до 3-х лет.

Аргументы против использования энергии солнца: ярко выраженная сезонность, зависимость от погоды и высокие первоначальные инвестиции.

Общее устройство и принцип действия

Рассмотрим вариант гелиосистемы с коллектором в качестве основного рабочего элемента системы. Внешний вид агрегата напоминает металлический ящик, лицевая сторона которого изготовлена из закаленного стекла. Внутри короба размещен рабочий орган – змеевик с абсорбером. Теплопоглощающий блок обеспечивает нагрев теплоносителя – циркулирующая жидкость, передает сгенерированное тепло в контур водоснабжения.

Основные узлы гелиосистемы: 1 – коллекторное поле, 2 – воздухоотводчик, 3 – распределительная станция, 4 – резервуар сброса избыточного давления, 5 – контролер, 6 – бак-водонагреватель, 7,8 – тэн и теплообменник, 9 – клапан термосмесительный, 10 – расход горячей воды, 11 – поступление холодной воды, 12 – слив, Т1/Т2 – температурные датчики

Гелиоколлектор обязательно работает в тандеме с аккумулирующим баком. Поскольку теплоноситель нагревается до температуры 90-130°С, его нельзя подавать непосредственно в краны горячего водоснабжения или отопительные радиаторы. Теплоноситель поступает в теплообменник бойлера. Накопительный бак часто дополняется электрическим нагревателем.

Схема работы:

1. Солнце нагревает поверхность коллектора.
2. Тепловое излучение передается поглощающему элементу (абсорберу), в котором содержится рабочая жидкость.
3. Циркулирующий по трубкам змеевика теплоноситель разогревается.
4. Насосное оборудование, блок управления и контроля обеспечивают отвод теплоносителя по трубопроводу к змеевику накопительного бака.
5. Осуществляется передача тепла воде в бойлере.
6. Охлажденный теплоноситель поступает обратно в коллектор и цикл повторяется.

Нагретая вода от водонагревателя подается в контур отопления или к водозаборным точкам.

При обустройстве отопительной системы или круглогодичного горячего водоснабжения, система комплектуется источником дополнительного подогрева (котел, электрический ТЭН). Это необходимое условие для поддержания заданной температуры

Разновидности солнечных коллекторов

Независимо от назначения, гелиосистема комплектуется плоским или сферическими трубчатым гелиоколлектором. Каждый из вариантов имеет ряд отличительных особенностей в плане технических характеристик и эффективности эксплуатации.

Вакуумный – для холодного и умеренного климата

Конструктивно вакуумный гелиоколлектор напоминает термос – узкие трубки с теплоносителем размещены в колбах большего диаметра. Между сосудами образуется вакуумная прослойка, отвечающая за теплоизоляцию (сохранность тепла – до 95%). Трубчатая форма наиболее оптимальна для удержания вакуума и «оккупации» солнечных лучей.

Базовые элементы трубчатой гелиотермической установки: опорная рама, корпус теплообменника, вакуумные стеклянные трубки, обработанные высокоселективным покрытием для интенсивного «поглощения» солнечной энергии

Внутренняя (тепловая) трубка наполнена солевым раствором с низкой температурой кипения (24-25°С). При нагревании жидкость выпаривается – испарения поднимаются вверх колбы и нагревают теплоноситель, циркулирующий в корпусе коллектора. В процессе конденсации капли воды стекают в наконечник трубки и процесс повторяется.

Благодаря наличию вакуумной прослойки жидкость внутри тепловой колбы способна закипать и испаряться при минусовой уличной температуре (до -35°С).

Характеристики солнечных модулей зависят от таких критериев:

• конструкция трубки – перьевая, коаксиальная;
• устройство теплового канала – «Heat pipe», прямоточная циркуляция.

Перьевая колба — стеклянная трубка, в которой заключен пластинчатый абсорбер и тепловой канал. Вакуумная прослойка проходит через всю длину теплового канала.

Коаксиальная трубка – двойная колба с вакуумной «вставкой» между стенками двух резервуаров. Передача тепла осуществляется от внутренней поверхности трубки. Наконечник термотрубки оснащен индикатором вакуума.

Эффективность перьевых трубок (1) выше по сравнению с коаксиальными моделями (2). Однако первые дороже и сложнее в установке. Кроме того, в случае поломки, перьевую колбу придется менять целиком

Канал «Heat pipe» — наиболее распространенный вариант передачи тепла в гелиоколлекторах. Механизм действия основан на размещении в герметичных металлических трубках легкоиспаряющейся жидкости.

Популярность «Heat pipe» обусловлена доступной стоимостью, неприхотливостью обслуживания и ремонтопригодностью. В силу сложности теплообменного процесса максимальный уровень КПД – 65%

Прямоточный канал – через стеклянную колбу проходят параллельные, соединенные в U-образную дугу металлические трубки. Теплоноситель, протекая через канал, нагревается и подается к корпусу коллектора.

Варианты конструкций вакуумного гелиоколлектора: 1 – модификация с нагревательной центральной трубкой «Heat pipe», 2 – гелиоустановка с прямоточной циркуляцией теплоносителя

Коаксиальные и перьевые трубки могут по-разному комбинироваться с тепловыми каналами.

Вариант 1. Коаксиальная колба с «Heat pipe» — наиболее популярное решение. В коллекторе происходит многократная передача тепла от стенок стеклянной трубки к внутренней колбе, а затем к теплоносителю. Степень оптического КПД достигает 65%.

Схема устройства коаксиальной трубки «Heat pipe»: 1 –оболочка из стекла, 2 – селективное покрытие, 3 – металлическое оребрение, 4 – вакуум, 5 – тепловая колба с легкозакипающим веществом, 6 – внутренняя трубка из стекла

Вариант 2. Коаксиальная колба с прямоточной циркуляцией известна как, U-образный коллектор. Благодаря конструкции уменьшаются теплопотери – тепловая энергия от алюминия передается трубкам с циркулирующим теплоносителем. Наряду с высоким КПД (до 75%) модель имеет недостатки:

• сложность монтажа – колбы являются единым целым с двухтрубным корпусом коллектора (mainfold) и устанавливаются целиком;
• исключена замена одиночных трубок.

Кроме того, U-образный агрегат требователен к теплоносителю и дороже «Heat pipe» моделей.

Устройство U-образного гелиоколлектора: 1 – стеклянный «цилиндр», 2 – поглощающее покрытие, 3 – алюминиевый «чехол», 4 – колба с теплоносителем, 5 – вакуум, 6 – внутренняя трубка из стекла

Вариант 3. Перьевая трубка с принципом действия «Heat pipe». Отличительные особенности коллектора:

• высокие оптические характеристики – КПД около 77%;
• плоский абсорбер напрямую передает энергию тепла трубке с теплоносителем;
• за счет использования одного слоя стекла снижено отражение солнечного излучения;

Возможна замена поврежденного элемента без слива теплоносителя из гелиосистемы.

Вариант 4. Перьевая колба прямоточного действия – наиболее эффективный инструмент использования солнечной энергии, как альтернативного источника энергии для нагрева воды или отопления жилья. Высокопроизводительный коллектор работает с КПД – 80%. Недостаток системы – трудность ремонта.

Схемы устройства перьевых солнечных коллекторов: 1 – гелиосистема с «Heat pipe» каналом, 2 – двухтрубный корпус гелиоколектора с прямоточным движением теплоносителя

Независимо от исполнения трубчатым коллекторам присущи следующие достоинства:

• работоспособность при низкой температуре;
• низкие тепловые потери;
• длительность функционирования в течение суток;
• способность разогревать теплоноситель до высоких температур;
• невысокая парусность;
• простота установки.

Основной недостаток вакуумных моделей – невозможность самоочищения от снежного покрова. Вакуумная прослойка не пропускает тепло наружу, поэтому слой снега не тает и перекрывает доступ солнца к коллекторному полю. Дополнительные минусы: высокая цена и необходимость соблюдения рабочего угла наклона колб не меньше 20°.

Водяной – оптимальный вариант для южных широт

Плоский (панельный) гелиоколлектор – прямоугольная алюминиевая пластина, закрытая сверху пластиковой или стеклянной крышкой. Внутри короба расположено абсорбционное поле, металлический змеевик и слой теплоизоляции. Площадь коллектора заполнена проточным трубопроводом, по которому движется теплоноситель.

Базовые составляющие плоского гелиоколлектора: корпус, абсорбер, защитное покрытие, прослойка термоизоляции и крепежные детали. При сборке используется матовое стекло с показателем пропускания спектрального диапазона 0,4-1,8 мкм

Теплопоглощение высокоселективного абсорбирующего покрытия достигает 90%. Проточный металлический трубопровод размещен между «поглотителем» и теплоизоляцией. Применяется две схемы укладки трубок: «арфа» и «меандр».

Трубчатый коллектор с жидким теплоносителем действует, как «тепличный» эффект – солнечные лучи проникают через стекло и прогревают трубопровод. Благодаря герметичности и теплоизоляции тепло удерживается внутри панели.

Прочность солнечного модуля во многом определяется материалом защитной крышки:

• обычное стекло – самое дешевое и хрупкое покрытие;
• закаленное стекло – высокая степень рассеивания света и повышенная прочность;
• антирефлексное стекло – отличается максимальной поглощающей способностью (95%) за счет наличия слоя, элиминирующего отражение лучей солнца;
• самоочищающееся (полярное) стекло с диоксид титаном – органические загрязнения выгорают на солнце, а остатки мусора смываются дождем.

Наиболее стойко переносит удары поликарбонатное стекло. Материал устанавливается в дорогих моделях.

Отражение солнечных лучей и поглощающая способность: 1 – антирефлексное покрытие, 2 – закаленное ударопрочное стекло. Оптимальная толщина защитной внешней оболочки – 4 мм

Эксплуатационно-функциональные особенности панельных гелиоустановок:

• в системах принудительной циркуляции предусмотрена функция оттаивания, позволяющая быстро избавиться от снежного покрова на гелиополе;
• призматическое стекло улавливает широкий диапазон лучей под разным углом – в летний период КПД установки достигает 78-80%;
• коллектор не боится перегрева – при переизбытке тепловой энергии возможно принудительное охлаждение теплоносителя;
• повышенная ударопрочность по сравнению с трубчатыми собратьями;
• возможность монтажа под любым углом;
• доступная ценовая политика.

Системы не лишены недостатков. В период дефицита солнечного излучения, по мере увеличения разницы температур, КПД плоского гелиоколлектора значительно падает из-за недостаточной теплоизоляции. Поэтому панельный модуль оправдывает себя в летнее время или в регионах с теплым климатом.

Гелиосистемы: особенности конструкции и эксплуатации

Многообразие гелиосистем можно классифицировать по таким параметрам: метод использования солнечной радиации, способ циркуляции теплоносителя, количество контуров и сезонность эксплуатации.

Активный и пассивный комплекс

В любой солнечной системе преобразования энергии предусмотрен гелиоприемник. Исходя из способа использования полученного тепла различают два типа гелиокомплексов: пассивные и активные.

Первая разновидность – система солнечного отопления, где теплопоглощающим элементом солнечного излучения выступают конструктивные элементы здания. В качестве гелиоприемной поверхности выступают кровля, стена-коллектор или окна.

Схема низкотемпературной пассивной гелиосистемы со стеной-коллектором: 1 – лучи солнца, 2 – полупрозрачный экран, 3 – воздушный барьер, 4 – разогретый воздух, 5- отработанные воздушные потоки, 6 – тепловое излучение от стены, 7 – теплопоглощающая поверхность стены-коллектора, 8 – декоративные жалюзи

В европейских странах пассивные технологии используются при возведении энергосберегающих зданий. Гелиоприемные поверхности декорируют под фальш-окна. За стеклянным покрытием размещается кирпичная зачерненная стена со светопроемами. В качестве теплоаккумуляторов выступают элементы сооружения – стены и перекрытия, изолированные полистиролом извне.

Активные системы подразумевают использование самостоятельных устройств, не относящихся к сооружению.

Термосифонные и циркуляционные системы

Гелиотермическое оборудование с естественным движением теплоносителя по контуру коллектор-аккумулятор-коллектор осуществляется за счет конвекции – теплая жидкость с малой плотностью поднимается вверх, охлажденная – стекает вниз.

В термосифонных системах накопительный бак размещается выше коллектора, обеспечивая самопроизвольную циркуляцию теплоносителя.

Схема работы свойственна одноконтурным сезонным системам. Термосифонный комплекс не рекомендуется использовать для коллекторов, площадью более 12 кв.м

Безнапорная гелиосистема имеет широкий перечень недостатков:

• в облачные дни производительность комплекса падает – для движения теплоносителя требуется большая разница температур;
• тепловые потери, обусловленные медленным передвижением жидкости;
• риск перегрева бака ввиду неуправляемости нагревательного процесса;
• нестабильность работы коллектора;
• сложность размещения бака-аккумулятора – при монтаже на крыше возрастают теплопотери, ускоряются коррозийные процессы, появляется риск замерзания патрубков.

Плюсы «гравитационной» системы: простота конструкции и ценовая доступность.

Капитальные затраты на обустройство циркуляционной (принудительной) гелиосистемы значительно выше установки безнапорного комплекса. В контур «врезается» насос, обеспечивающий движения теплоносителя. Работа насосной станции управляется контролером.

Дополнительная тепловая мощность, вырабатываемая в принудительном комплексе, превышает мощность, потребляемую насосным оборудованием. Эффективность системы возрастет на треть

Такой способ циркуляции задействован в круглогодичных двухконтурных гелиотермических установках. Плюсы полнофункционального комплекса:

• неограниченный выбор месторасположения аккумулирующего бака;
• работоспособность вне сезона;
• выбор оптимального режима нагрева;
• безопасность – блокировка работы при перегреве.

Недостаток системы – зависимость от электроэнергии.

Техническое решение схем: одно – и двухконтурные

В одноконтурных установках циркулирует жидкость, которая впоследствии подается к водозаборным точкам. В зимний период воду с системы надо сливать, чтоб предупредить замерзание и растрескивание труб.

Особенности одноконтурных гелиотермических комплексов:

• рекомендована «заправка» системы очищенной нежесткой водой – оседание солей на стенках труб приводит к засорению каналов и поломке коллектора;
• коррозия из-за избытка воздуха в воде;
• ограниченный срок службы – в пределах четырех-пяти лет;
• высокий КПД летом.

В двухконтурных гелиокомплексах циркулирует специальный теплоноситель (незамерзающая жидкость с противовспенивающими и антикоррозийными добавками), отдающий тепло воде через теплообменник.

Схемы устройства одноконтурной (1) и двухконтурной (2) гелиосистемы. Второй вариант отличается повышенной надежностью, возможностью работы зимой и длительностью эксплуатации (20-50 лет)

Нюансы эксплуатации двухконтурного модуля: незначительное снижение КПД (на 3-5% меньше чем в одноконтурной системе), необходимость полной замены теплоносителя каждые 7 лет.

Условия для работы и повышения эффективности

Расчет и монтаж гелиосистемы лучше доверить профессионалам. Соблюдение техники установки обеспечит работоспособность и получение заявленной производительности. Для улучшения эффективности и периода службы надо учесть некоторые нюансы.

Термостатический клапан. В традиционных системах теплоснабжения термостатический элемент редко устанавливается, так как за регулировку температуры отвечает теплогенератор. Однако при обустройстве гелиосистемы о защитном клапане забывать нельзя.

Нагрев бака до максимальной допустимой температуры повышает производительность коллектора и позволяет задействовать солнечное тепло даже при пасмурной погоде

Оптимальное размещение клапана – 60 см от нагревателя. При близком расположении «термостат» нагревается и блокирует подачу горячей воды.

Размещение бака-аккумулятора. Буферная емкость ГВС должна устанавливаться в доступном месте. При размещении в компактном помещении особое внимание уделяется высоте потолков.

Минимальное свободное пространство над баком – 60 см. Этот зазор необходим для обслуживания аккумулятора и замены магниевого анода

Установка расширительного бака. Элемент компенсирует температурное расширение в период стагнации. Установка бака выше насосного оборудования спровоцирует перегрев мембраны и ее преждевременный износ.

Оптимальное место для расширительного бачка – под насосной группой. Температурное воздействие при таком монтаже значительно сокращается, и мембрана дольше сохраняет эластичность

Технически правильный вариант реализации «петли» гелиоконтура. Пренебрежение требованием становится причиной понижения температуры в баке-аккумуляторе на 1-2°С за ночь

Обратный клапан. Предупреждает «опрокидывание» циркуляции теплоносителя. Обратный клапан при недостатке солнечной активности не дает рассеиваться теплу, накопленному днем.

Популярные модели «солнечных» модулей

Спросом пользуются гелиосистемы отечественных и зарубежных компаний. Хорошую репутацию завоевали изделия производителей: НПО Машиностроения (Россия), Гелион (Россия), Ariston (Италия), Альтен (Украина), Viessman (Германия), Amcor (Израиль) и др.

Гелиосистема «Сокол». Плоский гелиоколлектор, оснащенный многослойным оптическим покрытием с магнитронным напылением. Минимальная способность излучения и высокий уровень поглощения обеспечивают КПД до 80%.

Эксплуатационные характеристики:

• рабочая температура – до -21°С;
• обратное излучение тепла – 3-5%;
• верхний слой – закаленное стекло (4 мм).

Коллектор СВК-А (Альтен). Вакуумная гелиоустановка с площадью абсорбции 0,8-2,41 кв.м (зависимо от модели). Теплоноситель – пропиленгликоль, теплоизоляция медного теплообменника в 75 мм минимизирует теплопотери. Дополнительные параметры:

• корпус – анодированный алюминий;
• диаметр теплообменника – 38 мм;
• изоляция – минвата с антигигроскопичной обработкой;
• покрытие – боросиликатное стекло 3,3 мм;
• КПД – 98%.

Vitosol 100-F – плоский гелиоколлектор горизонтального или вертикального монтажа. Медный абсорбер с арфообразным трубчатым змеевиком и гелиотитановым покрытием. Пропускание света – 81%.

Ориентировочный порядок цен на гелиосистемы: плоские гелиоколлекторы – от 400 у.е./кв.м, трубчатые солнечные коллекторы – 350 у.е./10 вакуумных колб. Полный комплект циркуляционной системы – от 2500 у.е.

Выводы и полезное видео по теме

Принцип действия гелиоколлекторов панельного и трубчатого типа, особенности одно- и двухконтурных систем:

Оценка работоспособности плоского коллектора при минусовой температуре:

Технология монтажа панельного гелиоколлектора на примере модели Buderus:

Солнечная энергия – восполняемый источник получения тепла. С учетом роста цен на традиционные энергоресурсы внедрение гелиосистем оправдывает капитальные инвестиции и окупается в ближайшие пять лет при соблюдении техники монтажа.

Солнце - неисчерпаемый, экологически безопасный и дешевый источник энергии. Как заявляют эксперты, количество солнечной энергии, которая поступает на поверхность Земли в течение недели, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана 1 . По мнению академика Ж.И. Алферова, «человечество имеет надежный естественный термоядерный реактор - Солнце. Оно является звездой класса «Ж-2», очень средней, каких в Галактике до 150 миллиардов. Но это - наша звезда, и она посылает на Землю огромные мощности, преобразование которых позволяет удовлетворять практически любые энергетические запросы человечества на многие сотни лет». Причем, солнечная энергетика является «чистой» и не оказывает отрицательного влияния на экологию планеты 2 .

Немаловажным моментом является тот факт, что сырьем для изготовления солнечных батарей является один из самых часто встречающихся элементов - кремний. В земной коре кремний - второй элемент после кислорода (29,5% по массе) 3 . По мнению многих ученых, кремний - это «нефть двадцать первого века»: в течение 30 лет один килограмм кремния в фотоэлектрической станции вырабатывает столько электричества, сколько 75 тонн нефти на тепловой электростанции.

Однако некоторые эксперты полагают, что солнечную энергетику нельзя назвать экологически безопасной ввиду того, что производство чистого кремния для фотобатарей является весьма «грязным» и очень энергозатратным производством. Наряду с этим, строительство солнечных электростанций требует отведения обширных земель, сравнимых по площади с водохранилищами ГЭС. Еще одним недостатком солнечной энергетики, по мнению специалистов, является высокая волатильность. Обеспечение эффективной работы энергосистемы, элементами которых являюстя солнечные электростанции, возможно при условии:
- наличия значительных резервных мощностей, использующих традиционные энергоносители, которые можно подключить ночью или в пасмурные дни;
- проведения масштабной и дорогостоящей модернизации электросетей 4 .

Несмотря на указанный недостаток, солнечная энергетика продолжает свое развитие в мире. Прежде всего, ввиду того, что лучистая энергия будет дешеветь и уже через несколько лет составит весомую конкуренцию нефти и газу.

В настоящий момент в мире существуют фотоэлектрические установки , преобразующие солнечную энергию в электрическую на основе метода прямого преобразования, и термодинамические установки , в которых солнечная энергия сначала преобразуется в тепло, затем в термодинамическом цикле тепловой машины преобразуется в механическую энергию, а в генераторе преобразуется в электрическую.

Солнечные элементы как источник энергии могут применяться:
- в промышленности (авиапромышленность, автомобилестроение и т.п.),
- в сельском хозяйстве,
- в бытовой сфере,
- в строительной сфере (например, эко-дома),
- на солнечных электростанциях,
- в автономных системах видеонаблюдения,
- в автономных системах освещения,
- в космической отрасли.

По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в России составляет более 2300 млрд. тонн условного топлива, экономический потенциал - 12,5 млн. т.у.т. Потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию России в течение трех дней, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране.
Ввиду расположения России (между 41 и 82 градусами северной широты) уровень солнечной радиации существенно варьируется: от 810 кВт-час/м 2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт-час/м 2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на ширине 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт-час/м 2 , а в июле - 11,41 кВт-час/м 2 в день.

Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.

Наиболее перспективные регионы в плане использования солнечной энергетики: Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке. Причем некоторые районы Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока превосходит уровень солнечной радиации южных регионов. Так, например, в Иркутске (52 градуса северной широты) уровень солнечной радиации достигает 1340 кВТ-час/м 2 , тогда как в Республике Якутия-Саха (62 градуса северной широты) данный показатель равен 1290 кВт-час/м 2 . 5

В настоящее время Россия обладает передовыми технологиями по преобразованию солнечной энергии в электрическую. Есть ряд предприятий и организаций, которые разработали и совершенствуют технологии фотоэлектрических преобразователей: как на кремниевых, так и на многопереходных структурах. Есть ряд разработок использования концентрирующих систем для солнечных электростанций.

Законодательная база в сфере поддержки развития солнечной энергетики в России находится в зачаточном состоянии. Однако первые шаги уже сделаны:
- 3 июля 2008г.: Постановление Правительства №426 «О квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе использования возобновляемых источников энергии»;
- 8 января 2009г.: Распоряжение Правительства РФ N 1-р «Об Основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.»

Были утверждены целевые показатели по увеличению к 2015 и 2020 годам доли ВИЭ в общем уровне российского энергобаланса до 2,5% и 4,5% соответственно 6 .

По разным оценкам, на данный момент в России суммарный объем введенных мощностей солнечной генерации составляет не более 5 МВт, большая часть из которых приходится на домохозяйства. Самым крупным промышленным объектом в российской солнечной энергетике является введенная в 2010 году солнечная электростанция в Белгородской области мощностью 100 кВт (для сравнения, самая крупнейшая солнечная электростанция в мире располагается в Канаде мощностью 80000 кВт).

В настоящий момент в России реализуется два проекта: строительство солнечных парков в Ставропольском крае (мощность - 12 МВТ), и в Республике Дагестан (10 МВт) 7 . Несмотря на отсутствие поддержки возобновляемой энергетики, ряд компаний реализует мелкие проекты в сфере солнечной энергетике. К примеру, «Сахаэнерго» установило маленькую станцию в Якутии мощностью 10 кВт.

Существуют маленькие установки в Москве: в Леонтьевском переулке и на Мичуринском проспекте подъезды и дворы нескольких домов освещаются с помощью солнечных модулей, что сократило расходы на освещение на 25%. На Тимирязевской улице солнечные батареи установлены на крыше одной из автобусных остановок, которые обеспечивают работу справочно-информационной транспортной системы и Wi-Fi.

Развитие солнечной энергетики в России обусловлено рядом факторов:

1) климатические условия: данный фактор влияет не только на год достижения сетевого паритета, но и на выбор той технологии солнечной установки, которая наилучшим образом подходит для конкретного региона;

2) государственная поддержка: наличие законодательно установленных экономических стимулов солнечной энергетики оказывает решающее значение на
ее развитие. Среди видов государственной поддержки, успешно применяющихся в ряде стран Европы и США, можно выделить: льготный тариф для солнечные электростанции, субсидии на строительство солнечных электростанций, различные варианты налоговых льгот, компенсация части расходов по обслуживанию кредитов на приобретение солнечных установок;

3) стоимость СФЭУ (солнечные фотоэлектрические установки): сегодня солнечные электростанции являются одной из наиболее дорогих используемых технологий производства электроэнергии. Однако по мере снижения стоимости 1 кВт*ч выработанной электроэнергии солнечная энергетика становится конкурентоспособной. От снижения стоимости 1Вт установленной мощности СФЭУ (~3000$ в 2010 году) зависит спрос на СФЭУ. Снижение стоимости достигается за счет повышения КПД, снижения технологических затрат и снижения рентабельности производства (влияние конкуренции). Потенциал снижения стоимости 1 кВт мощности зависит от технологии и лежит в диапазоне от 5% до 15% в год;

4) экологические нормы: на рынок солнечной энергетики положительно может повлиять ужесточение экологических норм (ограничений и штрафов) вследствие возможного пересмотра Киотского протокола. Совершенствование механизмов продажи квот на выбросы может дать новый экономический стимул для рынка СФЭУ;

5) баланс спроса и предложения электроэнергии: реализация существующих амбициозных планов по строительству и реконструкции генерирующих и электросетевых
мощностей компаний, выделившихся из РАО «ЕЭС России» в ходе реформы отрасли, существенно увеличит предложение электроэнергии и может усилить давление на цену
на оптовом рынке. Однако выбытие старых мощностей и одновременное повышение спроса повлечет за собой увеличение цены;

6) наличие проблем с технологическим присоединением: задержки с выполнением заявок на технологическое присоединение к централизованной системе электроснабжения являются стимулом к переходу к альтернативным источникам энергии, в том числе к СФЭУ. Такие задержки определяются как объективной нехваткой мощностей, так и неэффективностью организации технологического присоединения сетевыми компаниями или недостатком финансирования технологического присоединения из тарифа;

7) инициативы местных властей: региональные и муниципальные органы управления могут реализовывать собственные программы по развитию солнечной энергетики или, более широко, возобновляемых/нетрадиционных источников энергии. Сегодня такие программы уже реализуются в Красноярском и Краснодарском краях, Республике Бурятия и др.;

8) развитие собственного производства: российское производство СФЭУ может оказать положительное влияние на развитие российского потребления солнечной энергетики. Во-первых, благодаря собственному производству усиливается общая осведомленность населения о наличии солнечных технологий и их популярность. Во-вторых, снижается стоимость СФЭУ для конечных потребителей за счет снижения промежуточных звеньев дистрибьюторской цепи и за счет снижения транспортной составляющей 8 .

Солнечная энергия

Параметры солнечного излучения

Прежде всего необходимо оценить потенциальные энергетические возможности солнечного излучения. Здесь наибольшее значение имеет его общая удельная мощность у поверхности Земли и распределение этой мощности по разным диапазонам излучения.

Мощность солнечного излучения

Мощность излучения Солнца, находящегося в зените, у поверхности Земли оценивается примерно в 1350 Вт/м2. Простой расчёт показывает, что для получения мощности 10 кВт необходимо собрать солнечное излучение с площади всего лишь 7.5 м2. Но это — в ясный полдень в тропической зоне высоко в горах, где атмосфера разрежена и кристально прозрачна. Как только Солнце начинает склоняться к горизонту, путь его лучей сквозь атмосферу увеличивается, соответственно, возрастают и потери на этом пути. Присутствие в атмосфере пыли или паров воды, даже в неощутимых без специальных приборов количествах, ещё более снижает поток энергии. Однако и в средней полосе в летний полдень на каждый квадратный метр, ориентированный перпендикулярно солнечным лучам, приходится поток солнечной энергии мощностью примерно 1 кВт.

Конечно, даже небольшая облачность резко уменьшает энергию, достигающую поверхности, особенно в инфракрасном (тепловом) диапазоне. Тем не менее, часть энергии всё равно проникает сквозь тучи. В средней полосе при сильной облачности в полдень мощность солнечного излучения, дошедшего до поверхности Земли, оценивается примерно в 100 Вт/м2 и лишь в редких случаях при особо плотной облачности может опускаться ниже этой величины. Очевидно, что в таких условиях для получения 10 кВт необходимо полностью, без потерь и отражения, собрать солнечное излучение уже не с 7.5 м2 земной поверхности, а с целой сотки (100 м2).

В таблице приведены краткие усреднённые данные по энергии солнечного излучения для некоторых городов России с учётом климатических условий (частоты и силы облачности) на единицу горизонтальной поверхности. Детализация этих данных, дополнительные данные для ориентаций панелей, отличных от горизонтальной, а также данные для других областей России и стран бывшего СССР приведены на отдельной странице .

Неподвижная панель, размещённая под оптимальным углом наклона, способна воспринять в 1.2 .. 1.4 раза больше энергии по сравнению с горизонтальной, а если она будет поворачиваться вслед за Солнцем, то прибавка составит 1.4 .. 1.8 раза. В этом можно убедиться, с разбивкой по месяцам для неподвижных панелей, ориентированных на юг под разными углами наклона, и для систем, отслеживающих движение Солнца. Особенности размещения солнечных панелей более подробно обсуждаются ниже .

Прямое и рассеянное солнечное излучение

Различают рассеянное и прямое солнечное излучение. Для эффективного восприятия прямого солнечного излучения панель должна быть ориентирована перпендикулярно потоку солнечного света. Для восприятия рассеянного излучения ориентация не так критична, так как оно достаточно равномерно приходит почти со всего небосвода — именно так освещается земная поверхность в пасмурные дни (по этой причине в пасмурную погоду предметы не имеют чётко оформленной тени, а вертикальные поверхности, такие как столбы и стены домов, практически не отбрасывают видимую тень).

Соотношение прямого и рассеянного излучения сильно зависит от погодных условий в разные сезоны. Например, в Москве зима пасмурная, и в январе доля рассеянного излучения превышает 90% от общей инсоляции. Но даже московским летом рассеянное излучение составляет почти половину от всей солнечной энергии, достигающей земной поверхности. В то же время в солнечном Баку и зимой, и летом доля рассеянного излучения составляет от 19 до 23% общей инсоляции, а около 4/5 солнечного излучения, соответственно, является прямым. Более подробно соотношение рассеянной и полной инсоляции для некоторых городов приведено на отдельной странице .

Распределение энергии в солнечном спектре

Солнечный спектр является практически непрерывным в крайне широком диапазоне частот — от низкочастотного радиоволнового до сверхвысокочастотного рентгеновского и гамма-излучения. Безусловно, трудно одинаково эффективно улавливать столь разные виды излучения (пожалуй, это можно осуществить лишь теоретически с помощью «идеального абсолютно чёрного тела»). Но это и не надо — во-первых, само Солнце в разных частотных диапазонах излучает с различной силой, а во-вторых, не всё, что излучило Солнце, достигает поверхности Земли — отдельные участки спектра в значительной степени поглощаются разными компонентами атмосферы — преимущественно озоновым слоем, парами воды и углекислым газом.

Поэтому нам достаточно определить те диапазоны частот, в которых наблюдается наибольший поток солнечной энергии у поверхности Земли, и использовать именно их. Традиционно солнечное и космическое излучение разделяется не по частоте, а по длине волны (это связано со слишком большими показателями степени для частот этого излучения, что весьма неудобно — видимому свету в герцах соответствует 14-й порядок). Посмотрим же зависимость распределения энергии от длины волны для солнечного излучения.

Диапазоном видимого света считается участок длин волн от 380 нм (глубокий фиолетовый) до 760 нм (глубокий красный). Всё, что имеет меньшую длину волны, обладает более высокой энергией фотонов и подразделяется на ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма- диапазоны излучения. Невзирая на высокую энергию фотонов, самих фотонов в этих диапазонах не так уж много, поэтому общий энергетический вклад этого участка спектра весьма мал. Всё, что имеет бóльшую длину волны, обладает меньшей по сравнению с видимым светом энергией фотонов и подразделяется на инфракрасный диапазон (тепловое излучение) и различные участки радиодиапазона. Из графика видно, что в инфракрасном диапазоне Солнце излучает практически столько же энергии, как и в видимом (уровни меньше, зато диапазон шире), а вот в радиочастотном диапазоне энергия излучения очень мала.

Таким образом, с энергетической точки зрения нам достаточно ограничиться видимым и инфракрасным частотными диапазонами, а также ближним ультрафиолетом (где-то до 300 нм, более коротковолновый жёсткий ультрафиолет практически полностью поглощается в так называемом озоновом слое, обеспечивая синтез этого самого озона из атмосферного кислорода). А львиная доля солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, сосредоточена в диапазоне длин волн от 300 до 1800 нм.

Ограничения при использовании солнечной энергии

Главные ограничения, связанные с использованием солнечной энергии, вызваны её непостоянством — солнечные установки не работают ночью и малоэффективны в пасмурную погоду. Это очевидно практически всем.

Однако есть и ещё одно обстоятельство, которое особенно актуально для наших довольно северных широт — это сезонные различия в продолжительности дня. Если для тропической и экваториальной зоны длительность дня и ночи слабо зависит от времени года, то уже на широте Москвы самый короткий день меньше самого длинного почти в 2.5 раза! Про приполярные области я уже не говорю... В результате в ясный летний день солнечная установка под Москвой может произвести энергии не меньше, чем на экваторе (солнце пониже, зато день длиннее). Однако зимой, когда потребность в энергии особенно высока, её выработка, наоборот, снизится в несколько раз. Ведь помимо короткого светового дня, лучи низкого зимнего солнца даже в полдень должны проходить гораздо более толстый слой атмосферы и потому теряют на этом пути существенно больше энергии, чем летом, когда солнце стоит высоко и лучи идут сквозь атмосферу почти отвесно (выражение «холодное зимнее солнце» имеет самый прямой физический смысл). Тем не менее, это вовсе не означает, что солнечные установки в средней полосе и даже в гораздо более северных районах совсем бесполезны — хотя зимой от них мало пользы, эато в период длинных дней, как минимум полгода между весенним и осенним равноденствиями, они вполне эффективны.

Особенно интересно применение солнечных установок для приведения в действие всё шире рас-прос-тра-ня-ю-щих-ся, но весьма «прожорливых» кондиционеров. Ведь чем сильнее светит солнце, тем жарче и тем нужнее кондиционер. Но в таких условиях и солнечные установки способны выработать больше энергии, причём эта энергия будет использована кондиционером именно «здесь и сейчас», её не надо аккумулировать и хранить! К тому же совсем необязательно преобразовывать энергию в электрическую форму — абсорбционные тепловые машины используют тепло непосредственно, а это значит, что вместо фотоэлектрических батарей можно использовать солнечные коллекторы , наиболее эффективные как раз в ясную жаркую погоду. Правда, я считаю, что кондиционеры незаменимы лишь в жарких безводных регионах и во влажном тропическом климате, а также в современных городах независимо от их месторасположения. Грамотно спроектированный и построенный загородный дом не только в средней полосе, но и на большей части юга России не нуждается в столь энергетически прожорливом, громоздком, шумном и капризном устройстве.

К сожалению, в условиях городской застройки индивидуальное использование более-менее мощных солнечных установок со сколько-нибудь заметной практической пользой возможно лишь в редких случаях особо удачного стечения обстоятельств. Впрочем, я не считаю городскую квартиру полноценным жильём, поскольку её нормальное функционирование зависит от слишком большого количества факторов, не доступных непосредственному контролю жильцов по чисто техническим причинам, а потому в случае выхода из строя на более-менее длительное время хотя бы одной из систем жизнеобеспечения современного многоквартирного дома условия там не будут приемлемы для жизни (скорее, квартиру в многоэтажке надо рассматривать как своего рода гостиничный номер, который жильцы выкупили в бессрочное пользование или арендуют у муниципалитета). Зато за городом особое внимание к солнечной энергии может быть более чем оправданным даже на маленьком участке в 6 соток.

Особенности размещения солнечных панелей

Выбор оптимальной ориентации солнечных панелей является одним из важнейших вопросов при практическом использовании солнечных установок любого типа. К сожалению, на различных сайтах, посвящённых солнечной энергии, этот аспект рассматривается очень мало, хотя пренебрежение им способно снизить эффективность панелей до неприемлемого уровня.

Дело в том, что угол падения лучей на поверхность сильно влияет на коэффициент отражения, а следовательно, на долю невоспринятой солнечной энергии. Например, для стекла при отклонении угла падения от перпендикуляра к его поверхности до 30° коэффициент отражения практически не меняется и составляет чуть менее 5%, т.е. более 95% падающего излучения проходят внутрь. Далее рост отражения становится заметным, и к 60° доля отражённого излучения увеличивается вдвое — почти до 10%. При угле падения 70° отражается около 20% излучения, а при 80° — 40%. Для большинства других веществ зависимость степени отражения от угла падения имеет примерно тот же характер.

Ещё важнее так называемая эффективная площадь панели, т.е. перекрываемое ею сечение потока излучения. Она равна реальной площади панели, умноженной на синус угла между её плоскостью и направлением потока (или, что то же самое, на косинус угла между перепендикуляром к панели и направлением потока). Поэтому, если панель перпендикулярна потоку, её эффективная площадь равна её реальной площади, если поток отклонился от перпендикуляра на 60° — половине реальной площади, а если поток параллелен панели, её эффективная площадь равна нулю. Таким образом, существенное отклонение потока от перпендикуляра к панели не только увеличивает отражение, но снижает её эффективную площадь, что обуславливает очень заметное падение выработки.

Очевидно, что для наших целей наиболее эффективна постоянная ориентация панели перпендикулярно потоку солнечных лучей. Но это потребует изменения положения панели в двух плоскостях, поскольку положение Солнца на небе зависит не только от времени суток, но и от времени года. Хотя такая система, безусловно, технически возможна, она получается весьма сложной, а потому дорогой и не слишком надёжной.

Однако вспомним, что при углах падения до 30° коэффициент отражения на границе «воздух-стекло» минимален и практически неизменен, а в течении года угол максимального подъёма Солнца над горизонтом отклоняется от среднего положения не более чем на ±23°. Эффективная площадь панели при отклонении от перпендикуляра на 23° также остаётся достаточно большой — не менее 92% от её реальной площади. Поэтому можно ориентироваться на среднегодовую высоту максимального подъёма Солнца и практически без потери эффективности ограничиться вращением лишь в одной плоскости — вокруг полярной оси Земли со скоростью 1 оборот в сутки. Угол наклона оси такого вращения относительно горизонтали равен географической широте места. Например, для Москвы, расположенной на широте 56°, ось такого вращения должна быть наклонена на север на 56° относительно поверхности (или, что то же самое, отклонена от вертикали на 34°). Такое вращение организовать уже гораздо проще, однако для безпрепятственного вращения большой панели нужно немало места. Кроме того, необходимо либо организовать скользящее соединение, позволяющее отводить от постоянно вращающейся панели всю полученную ею энергию, либо ограничиться гибкими коммуникациями с фиксированным соединением, но обеспечить автоматический возврат панели обратно в ночное время, — в противном случае не избежать перекручивания и обрыва отводящих энергию коммуникаций. Оба решения резко повышают сложность и снижают надёжность системы. При возрастании мощности панелей (а значит, их размеров и веса) технические проблемы усложняются в геометрической прогрессии.

В связи со всем вышеизложенным, практически всегда панели индивидуальных солнечных установок монтируются неподвижно, что обеспечивает относительную дешевизну и высочайшую надёжность установки. Однако здесь особенно важным становится выбор угла размещения панели. Рассмотрим эту проблему на примере Москвы .

Посмотрим на диаграммы инсоляции для различных углов установки панелей. Конечно, панель, поворачивающаяся вслед за Солнцем, вне конкуренции (оранжевая линия). Однако даже в длинные летние дни её эффективность превышает эффективность неподвижных горизонтальной (синяя) и наклонённой под оптимальным углом (красная) панелей всего лишь примерно на 30%. Но в эти дни тепла и света и так хватает! А вот в наиболее энергодефицитный период с октября по февраль преимущество поворотной панели над неподвижными минимально и практически неощутимо. Правда, в это время компанию наклонной панели составляет не горизонтальная, а вертикальная панель (зелёная линия). И это не удивительно — низкие лучи зимнего солнца скользят по горизонтальной панели, но хорошо воспринимаются почти перпендикулярной им вертикальной. Поэтому в феврале, ноябре и декабре вертикальная панель по своей эффективности превосходит даже наклонную и почти не отличается от поворотной. В марте и октябре день более длинный, и поворотная панель уже начинает уверенно (хотя и не очень сильно) превосходить любые неподвижные варианты, но эффективность наклонной и вертикальной панелей практически одинакова. И лишь в период длинных дней с апреля по август горизонтальная панель по полученной энергии опережает вертикальную и приближается к наклонной, а в июне даже чуть превосходит её. Летний проигрыш вертикальной панели закономерен — ведь, скажем, день летнего равноденствия длится в Москве более 17 часов, а в передней (рабочей) полусфере вертикальной панели Солнце может находиться не более 12 часов, остальные 5 с лишним часов (почти треть светового дня!) оно находится позади неё. Если же учесть, что при углах падения более 60° доля отражённого от поверхности панели света начинает стремительно расти, а её эффективная площадь сокращается в два раза и более, то время эффективного восприятия солнечного излучения для такой панели не превышает 8 часов — то есть менее 50% от общей продолжительности дня. Именно этим объясняется факт стабилизации производительности вертикальных панелей в течении всего периода длинных дней — с марта по сентябрь. И наконец, несколько особняком стоит январь — в этом месяце производительность панелей всех ориентаций практически одинакова. Дело в том, что этот месяц в Москве очень пасмурный, и более 90% всей солнечной энергии приходится нарассеянное излучение , а для такого излучения ориентация панели не слишком важна (главное, не направить её в землю). Однако несколько солнечных дней, всё же бывающих в январе, снижают выработку горизонтальной панели на 20% по сравнению с остальными.

Какой же угол наклона выбрать? Всё зависит от того, когда именно Вам нужна солнечная энергия. Если Вы хотите пользоваться ею только в тёплый период (скажем, на даче), то стоит выбрать так называемый «оптимальный» угол наклона, перпендикулярный к среднему положению Солнца в период между весенним и осенним равноденствиями. Он примерно на 10° .. 15° меньше географической широты и для Москвы составляет 40° .. 45°. Если же энергия Вам нужна круглогодично, то следует «выжимать» максимум именно в энергодефицитные зимние месяцы, а значит, надо ориентироваться на среднее положение Солнца между осенним и весенним равноденствиями и размещать панели ближе к вертикали — на 5° .. 15° больше географической широты (для Москвы это будет 60° .. 70°). Если же по архитектурным или конструктивным соображениям выдержать такой угол невозможно и надо выбирать между углом наклона в 40° и меньше или вертикальной установкой, следует предпочесть вертикальное положение. При этом «недобор» энергии в длинные летние дни не так критичен — в этот период полно естественного тепла и света, и потребность в выработке энергии обычно не так велика, как зимой и в межсезонье. Естественно, наклон панели должен быть ориентирован на юг, хотя отклонение от этого направления на 10° .. 15° к востоку или к западу мало что меняет и потому вполне допустимо.

Горизонтальное размещение солнечных панелей на всей территории России неэффективно и абсолютно неоправдано. Помимо слишком большого снижения выработки энергии в осенне-зимний период, на горизонтальных панелях интенсивно скапливается пыль, а зимой ещё и снег, и удалить их оттуда можно только с помощью специально организованной уборки (как правило, вручную). Если же наклон панели превышает 60°, то снег на её поверхности задерживается мало и обычно быстро осыпается сам по себе, а тонкий слой пыли хорошо смывается дождями.

Поскольку в последнее время цены на солнечное оборудование снижаются, может оказаться выгодным вместо единого поля солнечных панелей, ориентированного на юг, использовать два с большей суммарной мощностью , ориентированных на смежные (юго-восток и юго-запад) и даже противоположные (восток и запад) стороны света. Это обеспечит более равномерную выработку в солнечные дни и повышенную выработку в пасмурную погоду, при том, что остальное оборудование останется рассчитанным на прежнюю, относительно невысокую мощность, а потому будет более компактным и дешёвым.

И последнее. Стекло, поверхность которого не гладкая, а имеет специальный рельеф, способно гораздо более эффективно воспринимать боковой свет и передавать его на рабочие элементы солнечной панели. Наиболее оптимальным представляется волнообразный рельеф с ориентацией выступов и впадин с севера на юг (для вертикальных панелей — сверху вниз), — своеобразная линейная линза. Рифлёное стекло способно увеличить выработку неподвижной панели на 5% и более.

Традиционные типы установок для использования солнечной энергии

Время от времени появляются сообщения о строительстве очередной солнечной электростанции (СЭС) или опреснительной установки. По всему миру, от Африки до Скандинавии, применяются тепловые солнечные коллекторы и фотоэлектрические солнечные батареи. Эти методы использования солнечной энергии развиваются уже не один десяток лет, им посвящено множество сайтов в Интернете. Поэтому здесь я рассмотрю их в самых общих чертах. Впрочем, один важнейший момент в Интернете практически не освещается — это выбор конкретных параметров при создании индивидуальной системы солнечного энергоснабжения. Между тем этот вопрос не так прост, как кажется на первый взгляд. Пример выбора параметров для системы на солнечных батареях приведён на отдельной странице .

Солнечные батареи

Вообще говоря, под «солнечной батареей» можно понимать любой набор одинаковых модулей, воспринимающих солнечное излучение и объединённых в единое устройство, в том числе чисто тепловых, но традиционно этот термин закрепился именно за панелями фотоэлектрических преобразователей. Поэтому под термином «солнечная батарея» практически всегда подразумевается фотоэлектрическое устройство, непосредственно преобразующие солнечное излучение в электрический ток. Эта технология активно развивается с середины XX века. Огромным стимулом для её развития стало освоение космического пространства, где конкуренцию солнечным батареям по производимой мощности и длительности работы в настоящее время могут составить лишь малогабаритные ядерные источники энергии. За это время эффективность преобразования солнечных батарей возросла с одного-двух процентов до 17% и более в массовых относительно дешёвых моделях и свыше 42% в опытных образцах. Значительно увеличился срок службы и надёжность работы.

Достоинства солнечных батарей

Главное достоинство солнечных батарей — их предельная конструктивная простота и полное отсутствие подвижных деталей. Как следствие этого — небольшой удельный вес и неприхотливость в сочетании с высокой надёжностью, а также максимально простой монтаж и минимальные требования к обслуживанию во время эксплуатации (обычно достаточно лишь удалять с рабочей поверхности грязь по мере её накопления). Представляя собой плоские элементы малой толщины, они вполне успешно размещаются на обращённом к солнцу скате крыши или на стене дома, практически не требуя для себя какого-то дополнительного места и возведения отдельных громоздких конструкций. Единственное условие — ничто не должно затенять их в течении как можно большего времени.

Ещё одно важнейшее достоинство — это то, что энергия вырабатывается сразу в виде электричества — в наиболее универсальной и удобной на сегодняшний день форме.

К сожалению, ничто не вечно — эффективность фотоэлектрических преобразователей падает в течение срока службы. Полупроводниковые пластины, из которых обычно состоят солнечные батареи, со временем деградируют и утрачивают свои свойства, в результате и без того не слишком высокий КПД солнечных батарей становится ещё меньше. Длительное воздействие высоких температур ускоряет этот процесс. Сначала я отмечал это как недостаток фотоэлектрических батарей, тем более, что «севшие» фотоэлементы восстановить невозможно. Однако вряд ли какой-нибудь механический электрогенератор сможет продемонстрировать хотя бы 1% работоспособности всего лишь через 10 лет непрерывной работы — скорее всего он гораздо раньше потребует серьёзного ремонта из-за механического износа если не подшипников, то щёток, — а современные фотопреобразователи способны сохранять свою эффективность десятилетиями. По оптимистичным оценкам, за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается всего на 10%, а значит, если не вмешаются другие факторы, то даже через 100 лет сохранится почти 2/3 от первоначальной эффективности. Впрочем, для массовых коммерческих фотоэлементов на поли- и монокристаллическом кремнии честные изготовители и продавцы приводят несколько другие цифры старения — через 20 лет следует ожидать утраты до 20% эффективности (тогда теоретически через 40 лет эффективность составит 2/3 от первоначальной, сократится вдвое за 60 лет, а через 100 лет останется чуть менее 1/3 от исходной производительности). В общем, нормальный срок службы для современных фотопреобразователей составляет не менее 25 .. 30 лет, так что деградация не так критична, и гораздо важнее вовремя стирать с них пыль...

Если же батареи установить таким образом, чтобы естественное запыление практически отсутствовало либо своевременно смывалось естественными же дождями, то они смогут работать без какого-либо обслуживания в течение многих лет. Возможность столь долгой эксплуатации в необслуживаемом режиме — ещё одно важнейшее преимущество.

Наконец, солнечные батареи способны вырабатывать энергию с рассвета до заката даже в пасмурную погоду, когда тепловые солнечные коллекторы имеют температуру, лишь незначительно отличающуюся от температуры окружающего воздуха. Конечно, по сравнению с ясным солнечным днём их производительность падает во много раз, но лучше хоть что-то, чем совсем ничего! В связи с этим особенно интересны разработки батарей с максимумом преобразования энергии в тех диапазонах, где облака меньше всего поглощают солнечное излучение. Кроме того, при выборе солнечных фотопреобразователей следует обращать внимание на зависимость вырабатываемого ими напряжения от освещённости — она должна быть как можно меньшей (при снижении освещённости в первую очередь должен падать ток, а не напряжение, поскольку иначе для получения хоть какого-то полезного эффекта в пасмурные дни придётся использовать недешёвое дополнительное оборудование, принудительно повышающее напряжение до минимально достаточного для зарядки аккумуляторов и работы инверторов).

Недостатки солнечных батарей

Конечно, и недостатков у солнечных батарей немало. Помимо зависимости от погоды и времени суток, можно отметить следующее.

Невысокий КПД. Тот же солнечный коллектор при правильном выборе формы и материала поверхности способен поглотить почти всё попавшее на него солнечное излучение практически во всём спектре частот, несущих заметную энергию, — от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового диапазона. Солнечные батареи же преобразуют энергию избирательно — для рабочего возбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения), поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другие частотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных ими фотонов используется квантово — её «излишки», превышающие нужный уровень, идут на вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многом именно этим и объясняется их невысокий КПД.
Кстати, неудачно выбрав материал защитного покрытия, можно заметно снизить эффективность работы батареи. Дело усугубляется тем, что обычное стекло довольно хорошо поглощает высокоэнергетическую ультрафиолетовую часть диапазона, а для некоторых типов фотоэлементов весьма актуален именно этот диапазон, — энергия инфракрасных фотонов для них слишком мала.

Чувствительность к высокой температуре. С повышением температуры эффективность работы солнечных батарей, как и почти всех других полупроводниковых приборов, снижается. При температурах выше 100..125°С они вообще могут временно потерять работоспособность, а ещё больший нагрев грозит их необратимым повреждением. К тому же повышенная температура ускоряет деградацию фотоэлементов. Поэтому необходимо принимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямыми солнечными лучами. Обычно производители ограничивают номинальный диапазон рабочих температур фотоэлементов до +70°..+90°С (имеется в виду нагрев самих элементов, а температура окружающего воздуха, естественно, должна быть гораздо ниже).
Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительная поверхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стеклом или прозрачным пластиком. Если между защитным покровом и поверхностью фотоэлемента останется воздушная прослойка, то образуется своеобразный «парник», усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой, можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образом охлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуре наружного воздуха этого может оказаться недостаточно, к тому же такой метод способствует ускоренному запылению рабочей поверхности фотоэлементов. Поэтому солнечная батарея даже не очень больших размеров может потребовать специальной системы охлаждения. Справедливости ради надо сказать, что подобные системы обычно легко автоматизируются, а привод вентилятора или помпы потребляет лишь малую долю вырабатываемой энергии. При отсутствии яркого солнца большого нагрева нет и охлаждение вообще не требуется, так что энергия, сэкономленная на приводе системы охлаждения, может быть использована для других целей. Следует заметить, что в современных панелях заводского изготовления защитное покрытие обычно плотно прилегает к поверхности фотоэлементов и отводит тепло наружу, но в самодельных конструкциях механический контакт с защитным стеклом может привести к повреждению фотоэлемента.

Чувствительность к неравномерности засветки. Как правило, для получения на выходе батареи напряжения, более-менее удобного для использования (12, 24 и более вольт), фотоэлементы соединяются в последовательные цепочки. Ток в каждой такой цепочке, а следовательно, и её мощность, определяется самым слабым звеном — фотоэлементом с худшими характеристиками или с наименьшей освещённостью. Поэтому если хотя бы один элемент цепочки оказывается в тени, он существенно снижает выработку всей цепочки — потери несоразмерны затенению (более того, при отсутствии защитных диодов такой элемент начнёт рассеивать мощность, вырабатываемую остальными элементами!). Избежать непропорционального снижения выработки можно, лишь соединив все фотоэлементы параллельно, однако тогда на выходе батареи будет слишком большой ток при слишком малом напряжении — обычно для отдельных фотоэлементов оно составляет всего 0.5 .. 0.7 В в зависимости от их типа и величины нагрузки.

Чувствительность к загрязнениям. Даже малозаметный слой грязи на поверхности фотоэлементов или защитного стекла может поглотить существенную долю солнечного света и заметно снизить выработку энергии. В пыльном городе это потребует частой очистки поверхности солнечных батарей, особенно установленных горизонтально или с небольшим наклоном. Безусловно, такая же процедура необходима и после каждого снегопада, и после пыльной бури... Однако вдали от городов, промышленных зон, оживлённых дорог и других сильных источников пыли при угле наклона 45° и более дожди вполне способны смывать естественное запыление с поверхности панелей, «автоматически» поддерживая их в достаточно чистом состоянии. Да и снег на таком уклоне, к тому же обращённом на юг, даже в весьма морозные дни обычно долго не задерживается. Так что вдали от источников атмосферных загрязнений панели солнечных батарей могут годами успешно работать вообще без какого-либо обслуживания, было бы солнце в небе!

Наконец, последнее, но важнейшее из препятствий для широкого и повсеместного распространения фотоэлектрических солнечных батарей — их довольно высокая цена. Себестоимость элементов солнечной батареи в настоящее время составляет минимум 1$/Вт (1 кВт —1000$), и это для малоэффективных модификаций без учёта стоимости сборки и монтажа панелей, а также без учёта цены аккумуляторов, контроллеров зарядки и инверторов (преобразователей вырабатываемого низковольтного постоянного тока к бытовому или промышленному стандарту). В большинстве случаев для минимальной оценки реальных затрат эти цифры следует умножить в 3-5 раз при самостоятельной сборке из отдельных фотоэлементов и в 6-10 раз при покупке готовых комплектов оборудования (плюс стоимость монтажа).

Из всех элементов системы энергоснабжения на фотоэлектрических батареях самый короткий срок службы имеют аккумуляторы, однако производители современных необслуживаемых аккумуляторов утверждают, что в так называемом буферном режиме они проработают порядка 10 лет (или отработают традиционные 1000 циклов сильной зарядки-разрядки — если считать по одному циклу в сутки, то в таком режиме их хватит на 3 года). Отмечу, что стоимость аккумуляторов обычно составляет лишь 10-20% от общей стоимости всей системы, а стоимость инверторов и контроллеров заряда (и то, и другое — сложные электронные изделия, и потому существует некоторая вероятность их выхода из строя) — ещё меньше. Таким образом, принимая во внимание длительный срок службы и возможность работы в течении долгого времени без какого-либо обслуживания, фотопреобразователи за свою жизнь вполне могут окупиться не один раз, и не только в отдалённых районах, но и в обжитых местностях — если тарифы на электричество продолжат расти нынешними темпами!

Солнечные тепловые коллекторы

Название «солнечные коллекторы» закрепилось за устройствами, использующими непосредственный нагрев солнечным теплом, — как одиночными, так и наращиваемыми (модульными). Простейший образец теплового солнечного коллектора — чёрный водяной бак на крыше вышеупомянутого дачного душа (кстати, эффективность нагрева воды в летнем душе можно заметно повысить, соорудив вокруг бака мини-парничок хотя бы из полиэтиленовой плёнки; желательно, чтобы между плёнкой и стенками бака сверху и сбоку оставался зазор в 4-5 см).

Однако современные коллекторы мало похожи на такой бак. Обычно они представляют собой плоские конструкции из тонких зачернённых трубок, уложенных в виде решётки или змейкой. Трубки могут крепиться на зачернённом же теплопроводящем листе-подложке, который улавливает солнечное тепло, попадающее в промежутки между ними — это позволяет уменьшить общую длину трубок без потери эффективности. Для снижения теплопотерь и повышения нагрева коллектор сверху может быть закрыт листом стекла или прозрачного сотового поликарбоната, а с обратной стороны теплораспределяющего листа бесполезные потери тепла предотвращает слой теплоизоляции — получается своеобразная «теплица». По трубке движется нагреваемая вода или другой теплоноситель, который может собираться в накопительном термоизолированном баке. Движение теплоносителя происходит под действием насоса или самотёком за счёт разности плотностей теплоносителя до и после теплового коллектора. В последнем случае для более-менее эффективной циркуляции требуется тщательный выбор уклонов и сечений труб и размещение самого коллектора как можно ниже. Но обычно коллектор размещается в тех же местах, где и солнечная батарея — на солнечной стене или на солнечном склоне крыши, правда дополнительно где-то надо разместить и накопительный бак. Без такого бака при интенсивном разборе тепла (скажем, если надо наполнить ванну или принять душ) ёмкости коллектора может не хватить, и через небольшое время из крана потечёт чуть подогретая водичка.

Защитное стекло, конечно, несколько снижает эффективность коллектора, поглощая и отражая несколько процентов солнечной энергии, даже если лучи падают перпендикулярно. Когда же лучи попадают на стекло под небольшим углом к поверхности, коэффициент отражения может приближаться к 100%. Поэтому при отсутствии ветра и необходимости лишь небольшого нагрева относительно окружающего воздуха (на 5-10 градусов, скажем, для полива огорода) «открытые» конструкции могут быть более эффективны, чем «остеклённые». Но как только требуется разность температур в несколько десятков градусов или если поднимается даже не очень сильный ветер, теплопотери открытых конструкций стремительно возрастают, и защитное стекло при всех своих недостатках становится необходимостью.

Важное замечание — необходимо учитывать, что в жаркий солнечный день при отсутствии разбора вода может перегреться выше температуры кипения, поэтому в конструкции коллектора необходимо принять соответствующие меры предосторожности (предусмотреть предохранительный клапан). В открытых коллекторах без защитного стекла такого перегрева обычно можно не опасаться.

В последнее время начинают широко использоваться солнечные коллекторы на так называемых тепловых трубках (не путать с «тепловыми трубками», применяемыми для отвода тепла в системах охлаждения компьютеров!). В отличие от рассмотренной выше конструкции, здесь каждая нагреваемая металлическая трубка, по которой циркулирует теплоноситель, впаяна внутрь стеклянной трубки, а из промежутка между ними откачан воздух. Получается аналог термоса, где за счёт вакуумной теплоизоляции теплопотери уменьшаются в 20 раз и более. В результате, по утверждению производителей, при морозе в -35°С снаружи стекла, вода во внутренней металлической трубке со специальным покрытием, поглощающим максимально широкий спектр солнечного излучения, нагревается до +50..+70°С (перепад более 100°С).Эффективное поглощение в сочетании с отличной теплоизоляцией позволяют нагревать теплоноситель даже в пасмурную погоду, хотя мощность нагрева, конечно, в разы меньше, чем при ярком солнце. Ключевым моментом здесь является обеспечение сохранности вакуума в зазоре между трубками, то есть вакуумной герметичности стыка стекла и металла, в очень широком диапазоне температур, достигающем 150°С, в течение всего срока эксплуатации, составляющего многие годы. По этой причине при изготовлении таких коллекторов не обойтись без тщательного согласования коэффициентов температурного расширения стекла и металла и высокотехнологичных производственных процессов, а значит, в кустарных условиях вряд ли удастся сделать полноценную вакуумную тепловую трубку. Но более простые конструкции коллекторов без проблем изготавливаются самостоятельно, хотя, конечно, их эффективность несколько меньше, особенно зимой.

Помимо описанных выше жидкостных солнечных коллекторов, существуют и другие интересные типы конструкций: воздушные (теплоноситель — воздух, и замерзание ему не страшно), «солнечные пруды» и пр. К сожалению, большинство исследований и разработок по солнечным коллекторам посвящено именно жидкостным моделям, поэтому альтернативные виды серийно практически не производятся и сведений о них не так уж много.

Достоинства солнечных коллекторов

Важнейшее достоинство солнечных коллекторов — простота и относительная дешевизна изготовления их вполне эффективных вариантов, сочетающаяся с неприхотливостью в эксплуатации. Необходимый минимум для того, чтобы сделать коллектор своими руками — это несколько метров тонкой трубы (желательно медной тонкостенной — её можно согнуть с минимальным радиусом) и немного чёрной краски, хотя бы битумного лака. Сгибаем трубку змейкой, красим чёрной краской, размещаем в солнечном месте, подключаем к водяной магистрали, — и вот простейший солнечный коллектор уже готов! При этом змеевику легко можно придать почти любую конфигурацию и максимально использовать всё выделенное для коллектора место. Наиболее эффективным зачернением, которое можно нанести в кустарных условиях и которое к тому же очень устойчиво к высоким температурам и прямому солнечному свету, является тонкий слой сажи. Однако сажа легко стирается и смывается, потому для такого зачернения обязательно потребуется защитное стекло и специальные меры, чтобы предотвратить возможное попадание конденсата на покрытую сажей поверхность.

Другое важнейшее достоинство коллекторов заключается в том, что в отличии от солнечных батарей, они способны уловить и преобразовать в тепло до 90% попавшего на них солнечного излучения, а в самых удачных случаях — и более. Поэтому не только в ясную погоду, но и при лёгкой облачности КПД коллекторов превосходит КПД фотоэлектрических батарей. Наконец, в отличие от фотоэлектрических батарей, неравномерность засветки поверхности не вызывает непропорционального снижения эффективности коллектора — важен лишь общий (интегральный) поток излучения.

Недостатки солнечных коллекторов

Зато солнечные коллекторы более чувствительны к погоде, чем солнечные батареи. Даже на ярком солнце свежий ветер способен во много раз снизить эффективность нагрева открытого теплообменника. Защитное стекло, конечно, резко сокращает потери тепла от ветра, но в случае плотной облачности и оно бессильно. В пасмурную ветреную погоду толку от коллектора практически нет, а солнечная батарея хоть немного энергии, да вырабатывает.

Среди других недостатков солнечных коллекторов прежде всего выделю их сезонность. Достаточно коротких весенних или осенних ночных заморозков, чтобы образовавшийся в трубах нагревателя лёд создал опасность их разрыва. Конечно, это можно исключить, подогревая холодными ночами «тепличку» со змеевиком сторонним источником тепла, однако в таком случае общая энергетическая эффективность коллектора легко может стать отрицательной! Другой вариант — двухконтурный коллектор с антифризом во внешнем контуре — не потребует расхода энергии на подогрев, но будет намного сложнее одноконтурных вариантов с прямым нагревом воды как в изготовлении, так и при эксплуатации. Воздушные конструкции в принципе не могут замёрзнуть, но там есть другая проблема — низкая удельная теплоёмкость воздуха.

И всё же, пожалуй, главный недостаток солнечного коллектора заключается в том, что он является именно нагревательным прибором, причём хотя промышленно изготовленные образцы при отсутствии разбора тепла могут нагреть теплоноситель до 190..200°С, обычно достигаемая температура редко превышает 60..80°С. Поэтому использовать добытое тепло для получения существенных объёмов механической работы или электрической энергии весьма затруднительно. Ведь даже для работы самой низкотемпературной паро-водяной турбины (например той, которую в своё время описал В.А.Зысин) необходимо перегреть воду хотя бы до 110°С! А непосредственно в виде тепла энергия, как известно, долго не хранится, да и при температуре менее 100°С её обычно можно использовать лишь в горячем водоснабжении и отоплении дома. Впрочем, с учётом низкой стоимости и простоты изготовления это может быть вполне достаточной причиной для обзаведения собственным солнечным коллектором.

Справедливости ради нужно отметить, что «нормальный» рабочий цикл тепловой машины можно организовать и при температурах ниже 100°С — либо если температуру кипения понизить, снижая давление в испарительной части с помощью откачки оттуда пара, либо использовав жидкость, температура кипения которой лежит между температурой нагрева солнечного коллектора и температурой окружающего воздуха (оптимально — 50..60°С). Правда, я могу вспомнить лишь одну не экзотическую и относительно безопасную жидкость, более-менее удовлетворяющую этим условиям — это этиловый спирт, в нормальных условиях кипящий при 78°С. Очевидно, что в таком случае обязательно придётся организовывать замкнутый цикл, решая множество связанных с этим проблем. В некоторых ситуациях перспективным может быть применение двигателей с внешним нагревом (двигателей Стирлинга). Интересным в этом плане может быть и использование сплавов с эффектом памяти формы, о которых на этом сайте рассказано в статье И.В.Найгеля — им для работы достаточно температурного перепада всего в25-30°С.

Концентрация солнечной энергии

Повышение эффективности солнечного коллектора прежде всего заключается в устойчивом повышении температуры нагреваемой воды выше температуры кипения. Для этого обычно применяется концентрация солнечной энергии на коллекторе с помощью зеркал. Именно такой принцип лежит в основе большинства солнечных электростанций, различия заключаются лишь в количестве, конфигурации и размещении зеркал и коллектора, а также в методах управления зеркалами. В результате в точке фокусировки вполне возможно достижение температуры даже не в сотни, а в тысячи градусов, — при такой температуре уже может происходить прямое термическое разложение воды на водород и кислород (полученный водород можно сжигать ночью и в пасмурные дни)!

К сожалению, эффективная работа подобной установки невозможна без сложной системы управления зеркалами-концентраторами, которые должны отслеживать постоянно изменяющееся положение Солнца на небе. В противном случае уже через несколько минут точка фокусировки покинет коллектор, который в таких системах часто имеет весьма небольшие размеры, и нагрев рабочего тела прекратится. Даже использование зеркал-параболоидов решает проблему лишь частично — если их периодически не доворачивать вслед за Солнцем, то через несколько часов оно уже не будет попадать в их чашу или станет освещать лишь её край — толку от этого будет немного.

Самый простой способ концентрации солнечной энергии в «домашних» условиях — это горизонтально положить зеркало возле коллектора так, чтобы большую часть дня «солнечный зайчик» попадал на коллектор. Интересный вариант — использовать в качестве такого зеркала поверхность специально созданного возле дома водоёма, особенно если это будет не обычный водоём, а «солнечный пруд» (хотя сделать это непросто, а эффективность отражения будет гораздо меньше, чем у обычного зеркала). Хороший результат может дать создание системы вертикальных зеркал-концентраторов (эта затея обычно гораздо более хлопотная, но в некоторых случаях вполне оправданной может оказаться простая установка большого зеркала на соседней стене, если она образует с коллектором внутренний угол, — всё зависит от конфигурации и местоположения здания и коллектора).

Перенаправление солнечного излучения с помощью зеркал может повысить и выработку фотоэлектрической батареи. Но при этом возрастает её нагрев, а он может вывести батарею из строя. Поэтому в данном случае приходится ограничиваться относительно небольшим выигрышем (на несколько десятков процентов, но не в разы), и нужно тщательно контролировать температуру батареи, особенно в жаркие ясные дни! Именно из-за опасности перегрева некоторые производители фотоэлектрических батарей прямо запрещают эксплуатацию своих изделий при повышеной освещённости, созданной с помощью дополнительных отражателей.

Преобразование солнечной энергии в механическую

Традиционные типы солнечных установок не подразумевают непосредственного получения механической работы. К солнечной батарее на фотопреобразователях для этого надо подключить электродвигатель, а при использовании теплового солнечного коллектора перегретый пар (а для перегрева вряд ли удастся обойтись без зеркал-концентраторов) надо подать на вход паровой турбины или в цилиндры паровой машины. Коллекторы с относительно небольшим нагревом могут преобразовывать тепло в механическое движение более экзотическими способами, например с помощью актуаторов из сплавов с эффектом памяти формы .

Тем не менее, существуют и установки, предполагающее преобразование солнечного тепла в механическую работу, непосредственно заложенное в их конструкцию. Причём размеры и мощность их самые разные — это и проект огромной солнечной башни высотой в сотни метров, и скромный солнечный насос, которому самое место на дачном участке.