Использование солнечной энергии: гелиоколлекторы и фотоэлектрические панели

Солнце помогает сегодня реально экономить традиционные энергоносители, но прибегают к такой помощи пока только единицы. И главная причина отнюдь не в высокой стартовой стоимость гелиоэнергетического оборудования, а отсутствие информации у потребителя. Попытаемся восполнить этот пробел.

Есть два вида гелиоэнергетического оборудования, причем они принципиально разные. Первый вид – солнечная батарея, преобразующая солнечную радиацию в электроэнергию. Нельзя не отметить, что эффективность даже самых современных солнечных батарей бытового назначения не превышает 15%. Чтобы получить 2000 Вт электроэнергии потребуется с десяток стандартных фотоэлектрических панелей общей площадью 15 м². Но даже этих 15% сегодня могут играть важную экономическую роль.

Второй вид оборудования, о котором было сказано, – это солнечный коллектор или гелиоколлектор. Данная установка представляет собой систему специальных стеклянных трубок, по которой циркулирует теплоноситель. Солнце нагревает жидкость, которая в свою очередь греет воду для ГВС и/или системы отопления. Средний КПД гелиоколлекторов составляет 70-85% . Количество теплоэнергии, которое можно получить в южных регионах Росси, находится на уровне 1000 кВт•ч/год. Однако точный расчет потребует учета множества факторов, в частности, географической широты, количества солнечных дней в году, направление по сторонам света и прочее. Дальше поговорим о практических сторонах гелиоэнергетики.

Гелиоколлекторы

Умея преобразовывать лучистую солнечную энергию в тепловую, можно существенно сократить расход любого топлива, будь то электричество, газ или уголь. Основной элемент системы – гелиоколлектор. Но его одного для эффективной работы не достаточно – требуется бак-накопитель и ряд вспомогательных элементов. В баке-накопителе происходит теплообмен геллиоколлекторного гидравлического контура и водой ГВС либо теплоносителя отопительного контура. Гидравлический контур составляют трубопроводы, клапаны, фильтры, насосное оборудование и расширительные баки. Процессами теплопередачи управляет регулирующая автоматика. Кроме самого оборудования необходим также монтажный комплект, в который входят детали крепления коллектора, бака и других элементов системы.

Солнечные коллекторы бывают трубчатыми и плоскими. Последние – более неприхотливы и дешевле как по собственной стоимости, так и по стоимости обслуживания. Трубчатые коллекторы сложнее, дороже, требовательнее к условиям эксплуатации, но зато эффективнее плоских.

Размер коллектора должен покрывать до 85-95% потребляемого объема горячей воды в теплое время года. Так, на семью из 4-х человек берется трубчатый коллектор площадью 2,4-3,2 м², либо плоский – площадью 4-6 м². Если гелиоколлекторы будут использоваться для подогрева воды в открытом бассейне, то их площадь должна быть не менее 70% площади водяного зеркала.

Как уже было сказано, гелиоколлекторы могут быть использованы не только для ГВС, но и для отопления. Но компании, устанавливающие гелиоколлекторное оборудование, рекомендуют применять их только совместно с низкотемпературными отопительными системами. К таким системам, например, относится напольный обогрев. Температура теплоносителя в нем не превышает 40°С. Но, учитывая, что отопление требуется в холодное время года, когда солнечный день короткий, а угол атаки лучей невелик, то для получения достаточного количество теплоэнергии потребуется большая площадь коллектора. Соответственно потребуются и большие затраты, причем настолько, что рентабельность проекта даже может стать отрицательной, во всяком случае при сегодняшних расценках.

Вид коллектора и правильность его расположения во многом определяет эффективность системы в целом. Самая выгодная ориентировка – южная. Для плоских коллекторов допускается отклонение в сторону запада или востока максимум на 15°. Если по какой-то причине потребуется большее отклонение, то его нужно компенсировать увеличением площади коллектора. Трубчатые коллекторы допускают больший диапазон отклонений от оси север-юг.

Что касается экономической стороны вопроса, то из опыта эксплуатации гелиоколлекторов в южных регионах известно, что они экономят 60-70% затрат на горячее водоснабжение и до 15% на отопление. Неудивительно, что такая статистика делает солнечные коллекторы наиболее популярными в контурах ГВС, нежели отопительных.

Гелиоколлекторная система со всеми компонентами, скомплектованная для коттеджа с площадью 100-150 м², в котором проживают четыре человека, обходится порядка 3000-4500 €. На срок окупаемости такой системы влияет множество факторов. Если же охватить крайние позиции ценового диапазона, то можно говорить об окупаемости в довольно широких пределах 3-7 лет. Быстрее всего система окупается там, где существует большая потребность в теплоэнергии весной, летом и осенью. Так, при привлечении гелиоколлекторной системы для подогрева бассейна, срок ее окупаемости может ограничиться двумя сезонами.

Солнечные батареи (фотоэлектрические панели)

Лучистую энергию солнца можно преобразовывать не только тепловую, но и в электрическую энергию. Для загородных коттеджей солнечная электроэнергетика весьма привлекательна, поскольку дает такое преимущество, как автономность.

Системы, обеспечивающие электронезависимость подразделяются на гибридные (резервные) и замкнутые. На случай аварийного отключения электроэнергии в замкнутых системах предусмотрены генераторы, работающие на каком-либо доступном топливе. Гибридные системы используют альтернативные источники и являются дополнением к обычной электросети.

Полноценная система преобразования солнечной лучистой энергии в электрическую состоит из фотоэлектрической панели, контроллера заряда, накопителя и инверторного преобразователя. Что такое фотоэлектрическая панель в общих чертах представляют все – это устройство, которое выдает некоторое количество электричества, при попадании на него солнечного света. Но такое «сырое» электричество не может быть использовано бытовыми электроприборами, поэтому его нужно сначала накопить в достаточном количестве, а затем преобразовать в ток с потребительскими параметрами.

Накопителем энергии служит аккумулятор. Это может быть кислотный аккумулятор глубокого разряда либо гелевый. Более эффективные литиевые аккумуляторы пока еще слишком дороги, поэтому используются редко.

За рациональный сбор и накопление электроэнергии отвечает контроллер – управляющая электронная схема. А инвертор преобразует постоянный ток аккумулятора в переменный ток 220 или 380 В. Он тоже представляет собой электронное устройство.

Чтобы убедиться в выгодах альтернативной энергетики, можно приобрести недорогую систему, состоящую из солнечной батареи на 30 Вт, автомобильного аккумулятора и недорогого инвертора на 1 кВт. Контроллером заряда в данной схеме можно пренебречь, вложившись, таким образом, в сумму 300 долларов. Эта система уже может обеспечить работу стандартного набора мультимедийных устройств и даже малого электроинструмента. Особенно выгода солнечной батареи будет ощущаться во время аварийных отключений электричества, которые в сельской местности не редкость.

Самые дешевые солнечные батареи, понятное дело, китайского производства. Надо сказать, что поскольку любые фотоэлектрические панели являются статическими, срок их эксплуатации довольно продолжителен. Можно даже отдать предпочтение продукции малоизвестных отечественных производителей – главное чтобы подходили параметры этих устройств.

Наиболее распространены монокристаллические солнечные батареи. Они имеют самый высокий КПД среди прочих видов. Немного уступают им по этому показателю поликристаллические батареи, а за ними следуют пленочные элементы из аморфного кремния.

Для более производительной системы, чем та, которая была приведена выше в качестве пробной, стартерные аккумуляторы использовать не стоит. На сегодняшний день оптимальным выбором являются кислотные аккумуляторы глубокого разряда, имеющие достаточный запас свинца, благодаря которому они долгое время остаются рабочими, даже при долгих простоях в разряженном состоянии. Если есть финансовая возможность, то рекомендуется купить гелевые аккумуляторы, в которых электролит находится в желеобразном состоянии. Такие аккумуляторы обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Для домашней автономной системы оптимальным будет аккумулятор на 200 А, и обойдется он в 400 долларов. В случае необходимости очень большой емкости накопителя применяют промышленные воздушно-циркониевые батареи, которые отличаются долговечностью (50 лет) и большим числом циклов заряда/разряда. Аккумуляторы эти довольно дороги, но с каждым годом они становятся дешевле. С нынешними темпами снижения их стоимости, уже через лет 10 они станут доступными широкому потребителю.

Ориентировочную стоимость контроллера заряда можно узнать, исходя из расчета 25 $ за каждые 10 А. Стоимость инвертора стартует от 20 $ за 100-ваттную модель. Ее мощности хватит для работы ноутбука и других мультимедийных устройств. Инверторы бывают синусоидальными и с модифицированной синусоидой. Устройства первого типа примерно вдвое дороже, чем второго, и позволяют запускать любую электротехнику. Стоимость несинусоидального инвертора составляет около 70$ за модель на 1 кВт, но холодильник, мощный водяной насос или электродвигатель от него не запустятся, однако большинство электроинструмента работать будет. Перечисленные устройства нужно подключать через более дорогие синусоидные инверторы.