Солнечные батареи и коллекторы: теория, области применения, рабочие самоделки

Интерес к альтернативной энергетике неуклонно растет. Причин тому множество, и вполне объективных. Самый мощный и стабильный источник экологически чистой энергии – Солнце. Хотя по себестоимости утилизированная солнечная энергия пока уступает производимой в промышленных масштабах, ее преобразователи в тепло или электричество – солнечные панели – приобретают или мастерят своими руками многие. Дом с дающими электричество солнечными батареями и генераторами тепла – солнечными коллекторами – на крыше, в наши дни не редкость и в местах с достаточно суровым климатом, см. рис. Тем более что такое достоинство излучения Солнца, как полная независимость от техногенной среды и природных катаклизмов, заменить пока нечем.

Картинка для иллюстрации недаром взята «зимняя»: современные модели солнечных коллекторов способны давать в систему отопления теплоноситель с температурой +85 градусов Цельсия в пасмурный день при морозе –20 снаружи. По цене такие гелиоустановки достаточно доступны, но требуют для изготовления развитой производственной базы. Если же стоит задача обеспечить ГВС на даче или в загородном доме в теплое время года, когда автономное отопление выключено, то сделать пригодный для этого солнечный коллектор своими руками вполне возможно. А при наличии навыков домашнего мастера среднего уровня – установку, которая и зимой поможет отопительному котлу сэкономить немалую толику топлива, а хозяевам – деньги на него. Возможны и другие применения самодельных солнечных коллекторов; хотя бы – подогрев воды в бассейне. Цены фирменных образцов этого вида явно несуразны в сравнении с их возможностями, и там нет ничего, чего нельзя было бы сделать самому.

С автономным солнечным энергоснабжением дело сложнее. Скажем прямо: солнечных электростанций общего пользования, по всем параметрам превосходящих традиционные ТЭЦ, ГЭС и АЭС, на сегодняшний день не существует. И, пока генерация электроэнергии от Солнца не будет перенесена в космос и для этого не будет использоваться его спектр полностью, вряд ли возможна. В Евразии крайние северные точки, где срок окупаемости больших гелиоэлектростанций оказывается хоть немного меньше срока их службы – острова Эгейского моря и Туркмения.

Однако индивидуальная покупная солнечная электростанция может оказаться выгодной и в средне-высоких широтах при условии тщательного технико-экономического расчета и выбора подходящей модели; не последнюю роль в этом играет стабильность электроснабжения в данной местности. А понятие солнечная батарея своими руками может иметь вполне определенный и положительный для владельца экономический смысл, если соблюдены некоторые необременительные и бесплатные условия ее изготовления и эксплуатации, в следующих случаях:

• На даче, если батарея выставляется на Солнце (засвечивается) только на время ее посещения, об этом см. далее.
• Для зарядки мобильных телефонов или электропитания радиоприемников, нетбуков и т.п. вдали от цивилизации.
• В загородном доме для постоянного жилья – для электропитания маломощных, неприхотливых и не жизненно важных, но действующих долгое время потребителей: ламп освещения, внутренних и наружных, ноутбуков, компьютеров с UPS и т.п. «Накручивают» на счетчике они все-таки немало, но, если рассчитывать только на них, то сложность создания и стоимость постройки солнечной электростанции падают в разы.
• 

  Надувная лодка с электроприводом от солнечной батареи

  Охотникам, рыболовам, туристам, натуралистам, фотографам-пейзажистам и анималистам и прочим, проводящим много времени на природе, как мобильный и достаточно мощный источник энергии. Взгляните, напр., на рис. справа; к этой лодке мы еще вернемся. Запас хода по спокойной воде в пасмурный день – от 30 км; в ясный день летом практически неограничен. Ход настолько малошумен, что позволяет подбираться на дистанцию съемки или выстрела к таким осторожным птицам, как дикие гуси.

Как же приобрести или сделать самому эти полезные устройства, чтобы потом не жалеть о зря выброшенных деньгах? Вот этому и посвящена настоящая статья. С небольшой добавкой о солнечных концентраторах, или гелиоконцентраторах. Эти устройства собирают излучение Солнца в плотный пучок, прежде чем передать его на преобразование. В некоторых случаях добиться требуемых технических показателей установки иным путем невозможно.

В целом материал организован в 5 разделов с подразделами:

1. Существенные особенности использования солнечной энергии.
2. Солнечные коллекторы (СК), покупные и самодельные.
3. Солнечные концентраторы.
4. Солнечные батареи (СБ), в том же порядке.
5. Правильная установка и юстировка СК и СБ.
6. Вывод в заключение.

Слово к кулибиным

Любители делают солнечные батарейки из самых разных подручных материалов: полупроводниковых диодов, транзисторов, разобранных допотопных селеновых и купроксных выпрямителей, самостоятельно окисленных на электроплитке медных пластин и др. Максимум, что удается от них запитать – приемник или плеер с током потребления до 50-70 мА на средней громкости. Больше принципиально невозможно; почему – см. в разд. об СБ.

Однако порицать любителей технических экспериментов было бы совершенно глупо. Томас Альва Эдисон сказал однажды: «Все знают, что это сделать невозможно. Находится невежда, который этого не знает. Он-то и делает изобретение». В любом случае прикосновение к тонкостям высоких технологий и глубинам материи (а СБ – зримый пример того и другого) дает знания и умение их применять, т.е. сообразительность. А они – капитал, который никогда не обесценивается и доходность которого выше любых ценных бумаг.

Тем не менее, даже самые общие теоретические основы всего дальнейшего материала таковы, что самое «чуть-чуть на пальцах» выливается не в статьи – в книги. Поэтому мы далее ограничимся теми образцами на разные случаи жизни, которые можно изготовить самостоятельно дома, не вполне забыв, чему в школе учили (их, между прочим, не мало); это во-первых. Во-вторых, из них ограничимся устройствами, реально дающими тепло или ток, пригодные для бытовых и хозяйственных нужд. Некоторые утверждения автора вам тогда придется принять на веру, или обратиться к фундаментальным источникам.

Чего можно ожидать?

Вот пример разговора по телефону с торговым менеджером фирмы, продающей СБ: «А при каких условиях ваша батарея развивает заявленную мощность?» – «При любых!» – «И в Мурманске (за Полярным кругом) зимой тоже?» – молчание, отбой.

Теперь посмотрим на верхнюю карту рис. ниже. Там – районирование РФ по инсоляции специально для нужд гелиоэнергетики. Не для аграриев, растения за миллиарды лет эволюции жизни научились использовать солнечный свет экономнее. Допустим, мы живем в месте, где поток энергии Солнца 4 кВт/ч на 1 кв. м в день. В средних широтах, от весеннего до осеннего равноденствия и с учетом изменения высоты стояния Солнца в течение дня и по сезону, продолжительность светового дня примем что-то около 14 час. Точнее для конкретного географического пункта можно рассчитать на онлайновых калькуляторах, есть такие.

Тогда поток энергии Солнца у нас выходит на круг 4/14 = 0,286 кВт/кв. м или 286 Вт/кв. м. При КПД гелиоустановки 25% (а это хороший показатель), с квадрата удастся снять 71,5 Вт мощности, тепловой или электрической. Если средне-долговременной потребляемой мощности (см. далее) нужно 2 кВт (это типичный случай), то панель преобразователя нужна площадью 2000/71,5 = 27,97 или 28 кв. м; это 7х4 м. КПД 25% – не занижено ли? Да, из панелей можно выжать и больше. Значительная часть дальнейшего материала посвящена тому, как именно.

Примечание: для справки – солнечная постоянная, т.е. плотность потока энергии Солнца во всем спектре излучения от сверхдлинных радиоволн до сверхжесткого гамма-излучения, в космосе на земной орбите составляет 1365,7 Вт/кв. м. На экваторе в полдень в дни равноденствия (Солнце в зените) – около 1 кВт/кв. м. Торговцы частенько этого не знают, но вы-то имейте в виду.

Хорошо, а как же тогда обещания производителей? Панель, допустим, 1х1,5 м, и для нее заявляют мощность в 1 кВт. Вроде бы и не против физики с астрономией, но выглядит в средних широтах под шубой атмосферы явно нереально. Правильно заявляют, не врут. Только измерена мощность на их испытательном стенде под специальными лампами. Если хотят быть со мной честными до конца, пусть приезжают и светят ими на мою панель, а электричество для этого берут где угодно.

Карта под первой нужна, чтобы дополнительно определиться с ценовой категорией или выбором конструкции предполагаемой установки. СБ и, особенно, СК, способные работать в пасмурную погоду, сложнее и дороже тех, которые действуют только на прямом свету. В году 365х24 = 8760 часов. С учетом того, что в высоких широтах летом продолжительность светового дня больше, СК или СБ могут в Якутске или Анадыре оказаться окупаемыми в течение расчетного срока эксплуатации, а в Подмосковье или Рязани – нет. Т.е. имейте также ввиду, что гелиоэнергетика как выгодное подспорье обычной возможна не только в Сахаре или пустыне Мохаве.

Промежуточный итог

Из этого раздела следует важный для всего дальнейшего вывод: присматривая панель для покупки или повторения, интересуйтесь прежде всего площадью эффективно воспринимающей (или поглощающей) свет поверхности, а уж по ней подсчитывайте все остальное. Причем может оказаться, что по маркетинго-потребительским представлениям панель вроде бы худшая в данном конкретном случае выйдет выгоднее «крутой».

Коллекторы

Принцип работы

В основе работы любого СК лежит парниковый эффект. Сущность его хорошо известна: возьмем открытую с одной стороны камеру с поглощающей свет поверхностью. Закроем ее крышкой, прозрачной для видимого света (желательно также – ультрафиолета, УФ), но хорошо отражающей тепловое (инфракрасное, ИК) излучение. Этим условиям в значительной степени удовлетворяют силикатное стекло и оргстекла; почти полностью – кварцевое стекло и др. минеральные стекла на основе плавленого кварца.

Примечание: называть пропускающие УФ стекла минеральными вообще-то неправильно, т.к. силикатное стекло тоже минеральное. Лучше было бы сохранить прежнее название «кварцевое стекло», т.к. большую часть шихты для выплавки УФ-прозрачных стекол составляет дробленый кварц. Есть еще турмалиновые стекла, но не для быта – в переплавку на них идут кристаллы драгоценных камней.

Солнечный свет, попав в камеру, поглотится ею, и камера нагреется. Чтобы избежать теплопотерь, снабдим ее теплоизоляцией. Тогда тепловая энергия превратится в ИК, но через крышку оно выйти наружу и рассеяться не сможет. Теперь ИК не остается ничего иного, как греть помещенный внутрь теплообменник с теплоносителем или продуваемый через камеру воздух. Если их нет, температура внутри будет повышаться до тех пор, пока разность температур внутри и снаружи не «продавит» избыточное тепло сквозь теплоизоляцию и не установится термодинамическое равновесие.

Что такое АЧТ

Чтобы лучше разобраться в дальнейшем, вам нужно знать, как работает пирамидальная, или игольчатая, модель абсолютно черного тела (АЧТ); поскольку другие нам не понадобятся, далее, если речь пойдет о модели АЧТ, «пирамидально-игольчатая» везде опускаем. В рунете, и в инете вообще, о ней толком ничего не доищешься, но в лабораторной практике и технике такие успешно применяются. Как она устроена – ясно из рис. справа. А в данном случае – поглощение света в СК будет тем лучше, чем ее покрытие или сама конфигурация эффективно поглощающей поверхности (ЭПП) ближе по свойствам к модели АЧТ.

 

Примечание: АЧТ называется тело, поглощающее электромагнитное излучение любой частоты. Древесная сажа, напр. – не АЧТ, при фотосъемке через ИК-фильтр она выглядит светло-серой. Пирамидально-игольчатая модель АЧТ способна поглощать любые, не только электромагнитные, колебания. Так, в акустике поролоновыми пирамидками оклеивают внутренние поверхности звукомерных камер.

Покупные СК

Если вы решили купить солнечный коллектор, вам придется столкнуться с вилкой цен за 1 кв. м поглощающей площади в 2000-80 000 руб. И учтите, на вид выставляется только итоговая стоимость, а площадь ЭПП если и прописывают, то мелким шрифтом. Также, выбирая модель, нужно обязательно поинтересоваться, комплектуется ли она накопительным баком и элементами обвязки, о них подробнее см. далее. Попробуем разобраться, чем объясняется такой разнобой и всегда ли он оправдан.

Примечание: теоретически срок службы СК неограничен. Практически – у более-менее приличных моделей при правильной эксплуатации составляет не менее 15 лет. Поэтому при обоснованном выборе с окупаемостью проблем не возникает, лишь бы климат позволял их использовать.

Виды и назначение

В быту более всего применяются СК 3-х видов конструктивного исполнения, см. рис. Слева – плоский СК, в центре – вакуумный, справа – компактный. Все они могут выполняться как безнапорными, на термосифонной циркуляции, так и напорными. Первые в 1,5-5 раз дешевле напорных аналогов, т.к. в них проще обеспечить прочность и герметичность. Безнапорные СК греют теплоноситель относительно медленно, поэтому предназначены более для ГВС в теплое время года. Обвязка простая и недорогая; иногда совмещается с панелью в один конструктив.

В напорных теплоноситель либо прокачивается циркуляционным насосом (что делает их энергозависимыми), либо в теплообменник подается водопроводная вода. Это, разумеется, требует конструкции прочнее и надежнее, плюс сложная энергозависимая обвязка и управляющий ею контроллер. Растет соответственно и цена. Но только напорные СК пригодны для отопления дома в холодное время года, т.к. греют быстро. Большинство моделей – всесезонные; продаваемые в РФ, с учетом климатических условий, чаще всего рассчитаны на совместную работу с котлом отопления, т.е. являются вспомогательными устройствами.

Напорные СК бывают прямого и косвенного нагрева. В первом случае СК включается непосредственно в контур СО (системы отопления). Во втором – первый, воспринимающий солнечную энергию, контур СК заполняется антифризом, а вторичный теплоноситель нагревается в теплообменнике 2-го контура.

Вторые, естественно, дороже, т.к. способны работать в мороз в любом климате. Первые применяются преимущественно для отопления весной и осенью. Тем не менее, именно напорные СК прямого нагрева (одноконтурные) скорее всего окажутся выгодными для индивидуальной СО: в межсезонье, на очень малой мощности, КПД котла на твердом топливе сильно падает. Но как раз в это время тепловой мощности СК на дом и хватит, стоят же одноконтурные относительно недорого. Нужно только предусмотреть в СО соответствующую запорно-распределительную арматуру и осенью до настоящих холодов СК отключать и опорожнять.

Плоские

Схема плоского СК приведена на рис. справа; принцип действия полностью соответствует описанному выше. Работоспособны такие, как правило, только в теплое время года. КПД, в зависимости от конструктивного исполнения, лежит в пределах 8-60% Воду выдают с температурой до 45-50 градусов. Напорными выпускаются крайне редко, усложнение конструкции при этом делает их неконкурентоспособными с вакуумными. Уплотнения теплообменника рассчитаны на заполнение только водой, т.к. летом в антифризе нет нужды. На цену (подчеркнем – за 1 кв. м ЭПП; нужно каждый раз пересчитывать самому по данным спецификации) влияют в основном следующие факторы:

• Покрытие (прозрачная изоляция) стекла.
• Разновидность самого стекла.
• Конструкция и качество поглощающей панели.

Покрытие стекла играет роль прежде всего просветляющей пленки в оптических приборах: уменьшает преломление света на границе раздела сред и светопотери на боковое отражение. В правильно установленных летних СК (см. в конце, перед заключением) эти потери невелики или, в южных краях, вовсе незаметны. Кроме того, покрытие истирается несомой ветром пылью и гарантия на него чаще всего не распространяется. Поэтому покрытие – первое, на чем возможно сэкономить. Если заметна разница в цене за счет покрытия для схожих по техданным моделей – берите «голую», скорее всего не разочаруетесь.

Собственно стекло – важнейший элемент и ориентироваться при выборе нужно прежде всего по нему:

1. Минеральное – пропускает УФ, что намного усиливает парниковый эффект.
2. Текстурированное (структурированное) – имеет на поверхности специальный микрорельеф, обеспечивающий практически равную эффективность на прямом и рассеянном свете, т.е. в ясную и пасмурную погоду.
3. Минеральное структурированное – сочетает оба эти качества и вдобавок практически не дает бокового отражения в довольно большом диапазоне углов падения без просветления.
4. Силикатное с присадками – структурированное или нет, не пропускает УФ, неважно отражает ИК и дает без просветления значительное боковое отражение. На КПД более 20% с ним рассчитывать не следует.
5. Органическое – с любыми усовершенствованиями через 5-7 лет максимум помутнеет от пыли, но отдельные его виды способны обеспечить максимальные значения КПД.

Исходя из этого, для СК постоянного пользования выбор следует делать в пользу минерального структурированного стекла. Оно позволяет обойтись меньшей площадью СК и зачастую в конечном итоге выиграть на стоимости всей установки. На даче выходного дня важна также скорость нагрева воды и начальная стоимость коллектора, поэтому туда более подойдет СК с оргстеклом. Установка, кроме дешевизны, будет компактнее и легче; на будни и на зиму ее можно закрывать чехлом или вовсе уносить в дом, так что износостойкость в данном случае фактор не определяющий.

Под хорошим стеклом КПД СК от конструкции поглощающей панели (абсорбера) зависит мало. Не то – поглощающее покрытие (зачернение) ЭПП. Свойства различных покрытий солнечных абсорберов показаны на рис. справа. Закономерность – как всегда, чем эффективнее, тем и дороже. Здесь опять необходимо просчитывать разные модели, выходя на минимум стоимости 1 кв. м панели. И вообще, при любых расчетах СК, надо помнить, как отченаш – наибольшая экономия достигается сокращением необходимой площади панели (панелей). Заодно проверяются и продавцы: если, скажем, в спецификации заявлена селективная покраска и обещают КПД 75% – посылайте их на испытательный стенд под лампы, там жарко, как в аду. Ясно ведь, что КПД всей установки не может быть выше, чем ее части.

О баке

Накопительный бак для СК необходим не только удобства ради. На карте выше даны среднегодовые значения инсоляции. Для летней установки при расчете их можно повысить примерно в 1,7 раза, а для сезонной весна-лето-осень – на 25%. Но и это будет только средним значением, теперь по сезону. А в зависимости от погоды величина инсоляции может «прыгать» день ото дня в 1,5-3 раза в зависимости от местного климата. Накопленная в баке нагретая вода, при условии хорошей его теплоизоляции, примет излишек тепла в ясный жаркий день и отдаст в пасмурный. В результате действительный КПД установки возрастает на четверть-треть. А в конечном итоге, грамотно поколдовав над местными данными, в средней полосе РФ частенько удается сократить требуемую площадь ЭПП вдвое и более против определенной прикидочным расчетом, приведенным выше. Соответственно – и затраты на установку.

Описываемые ниже вакуумные СК без бака-теплоаккумулятора неработоспособны. В них он либо включен в готовый конструктив, либо входит в комплект поставки. А вот с плоскими СК ситуация прямо противоположная и напоминает положение дел с фототехникой во время агонии «мокрой» пленочной фотографии. Тогда, напр., за отличную зеркальную «Минолту» с зум-объективом просили аж $190. А самый дрянной фотоувеличитель стоил где-то $600. Т.е., взял одно, без другого уже не обойдешься, так что – выворачивай карманы.

Применительно к плоским СК, цены на опциональные или рекомендуемые фирменные баки для них выглядят завышенными просто безобразно. Поэтому, если вы умеете мастерить, бак лучше делать самому, выдержав только предписанный в спецификации на панель его объем. И не верьте угрозам торговцев – самодельный бак можно сделать ничуть не худшим «фирмы». Как – об этом далее, в разделе о самоделках.

Вакуумные

Вакуумные СК способны нагревать теплоноситель до 80-85 градусов, а их КПД достигает 74% и только у самых дешевых бывает ниже 50%. Частично это определяется конструкцией поглощающей панели из рядов труб; промежутки между ними действуют наподобие модели АЧТ, только по одной координате. Но главную роль для обеспечения высокой эффективности здесь играет то, что теплообменник располагается в вакуумной колбе или системе таких колб. Дело тут не в теплоизоляции (для излучений вакуум ее вовсе не дает), а в отсутствии конвекции воздуха в камере. Это позволяет распределить температуру по поверхности теплообменника оптимальным образом. В газонаполненной камере конвекционные потоки ее выравнивают.

На рис. показано устройство 2-х самых употребительных видов вакуумных СК. Слева – 1-контурный летний или сезонный. Примерно так устроена показанная выше на рис. с типами СК российская «Дачница». Заправляются такие водой, ее температура на выходе – под 60 градусов. Здесь особенно ясно видна роль вакуума: если в колбу натечет воздух, его конвекция выровняет температуру внутренней трубки и никакой «термосифонки» в ней не будет.

Оболочка колбы выполняется из стекол разных видов, см. выше. Внутренняя трубка – приемник энергии (ПЭ) и теплообменник. Много споров, вплоть до взаимных оскорблений и поношений на форумах, порождает вопрос: что лучше зачернять – внутреннюю трубку снаружи или внутреннюю поверхность оболочки? С точки зрения наивысшего КПД – ПЭ. При этом потери ИК минимальны, т.к. оболочка выполняется их хорошо отражающего ИК стекла. Именно так устроены приборы для измерения инсоляции – актинометры, только там вместо трубок сферы.

Недорогую безнапорную вакуумную СК для мест с небольшой инсоляцией и сиянием поэтому лучше брать с зачернением ПЭ, однако в южных регионах со среднегодовой инсоляцией более 4 кВт*ч/день при величине сияния свыше 2000 час/год она в разгар лета может закипеть, а это почти всегда означает разгерметизацию и полный выход из строя. Здесь надежнее будет система с зачернением оболочки изнутри.

Также с зачернением оболочки изнутри выполняются СК напорные (врезка слева вверху на рис.) В таком случае ценой некоторой утечки ИК через оболочку достигается высокая его концентрация по оси колбы, что необходимо для хорошего и быстрого прогрева сильного потока воды. Дополнительно в самых эффективных 1-контурных напорных СК зачерняют еще центральную (подающую) трубу, но греет она преимущественно обтекающий ее восходящий поток.

Справа на рис. – 2-контурная СК с тепловой трубкой и двойной колбой из стекла разных сортов. Именно такие и питают СО круглый год теплоносителем с температурой под 90 градусов: концентрация ИК на тепловой трубке обеспечивает испарение теплоносителя 1-го контура. Который, между прочим, совсем не вода. Поэтому 2-контурные СК саморемонту не подлежат. Эффективность денег стоит, и в данном случае больших. Поэтому, копаясь в прайсах-прейскурантах, сугубое внимание обращаем на:

• Производит ли поставщик расчет установки по данным измерений на месте.
• Входит ли в комплект поставки обвязка (см. ниже).
• Осуществляют ли фирменные специалисты подключение установки к имеющейся СО.
• Гарантируются ли в таком случае заявленные параметры.
• Как долго действует гарантия.
• Предоставляется ли и сколько стоит плановое и внеочередное техобслуживание.

Подключение и обвязка

Круглогодичные напорные СК для предотвращения замерзания и разрыва зимой заполняются антифризом. Упрощенная схема их подключения показана слева на рис: контроллер по соотношению температур на подаче, обратке и в баке «раскручивает», насколько требуется, циркуляционный насос.

Напорные отопительные гелиосистемы комплектуются аккумулирующим баком с теплоизоляцией. В РФ более всего продаются системы, предназначенные для подключения к действующей СО с котлом. Водонагреватель для системы солнечного отопления должен иметь соответствующую конструкцию, в центре на рис. Кроме дополнительного змеевика для подключения котла (в баке вверху), нижний, запитываемый от СК, разделяется на 2 части; верхняя примерно вдвое больше нижней и навивается конусом, внизу в баке. Нижняя спираль возбуждает конвективный ток воды, а верхняя осуществляет теплоотдачу в него.

Такое решение необходимо, чтобы температура обратки котла не упала ниже 45 градусов, иначе в нем может выпасть кислотный кондесат, быстро выводящий котел из строя. Когда Солнце не светит и СК котлу помочь ничем не может, в конической спирали образуется водяная пробка, не позволяющая холодной «подушке» подняться вверх к змеевику котла.

Помимо специального бака, при включении СК в домашнюю СО необходима и обвязка для него, справа на рис. Прежняя обвязка котла (на рис. условно не показана) полностью сохраняется! Котел «чувствует» работу СК только как потепление погоды! Собственно процедура подключения солнечной системы к СО несложна: подачу и обратку СО отключают от котла и подключают к баку СК. А соответствующие патрубки котла подключают к штуцерам верхнего теплообменника бака СК.

О модульных СК

Описанные выше системы представляют собой цельные конструктивы. Но в продаже есть и модульные СК, набираемые из панелей до получения нужных параметров, напр, российский «Гелиопласт», см. рис. справа. Подключая панели параллельно или последовательно, можно получить либо больший поток теплоносителя, либо большую его температуру. Стоимость модульных СК немала, напр. 1 панель «Гелиопласта» стоит около $300. Однако, переключая трубопроводы трехходовыми вентилями, можно всю систему переводить из режима «весна-осень» на «лето» и обратно. Или, к примеру, «душ/кухня – бассейн».

Примечание: модульные СК, как более дорогие, рассчитаны на эксплуатацию при любых плюсовых температурах, или – от +(10-15), и в пасмурную погоду.

Компактные

Осталось упомянуть о компактных СК. Используются они, как правило, для подогрева воды в бассейнах, чтобы большими техногенного вида конструкциями пейзаж не портить. Цены относительно техпараметров – несусветные; Мерседес-Бенц с его «за звездочку», тут, как говорится, отдыхает. Конструкция несложна и вполне повторяема своими руками, см. в разделе о концентраторах света.

Самодельные СК

Для самостоятельного изготовления доступны более всего плоские дачно-загородные летние СК для ГВС. Сезонно-отопительные оказываются настолько сложными и трудоемкими, что проще и выгоднее выходит купить готовую панель. Зато по части самоделок из подручных материалов умельцы иногда создают образцы, уступающие лучшим промышленным разве что по внешнему виду, но обходящиеся буквально в копейки. Пойдем по порядку.

Ящик, стекло, утепление

Корпус самодельного плоского СК лучше всего делать из дерева, фанеры, ОСП и т.п. Долговечность и стойкость ему придаст двукратная пропитка водно-полимерной эмульсией перед покраской. Толщину днища желательно брать от 20 мм (лучше – от 40), чтобы от термических деформаций не образовались щели. На боковины пойдет доска (120-150)х20. Ниже корпус делать нежелательно, т.к. усилится утечка ИК сквозь стекло. Снаружи окрашивают как угодно, а внутри – как подложку «пирога», см. ниже. Размеры в плане рассчитываются исходя из величины инсоляции и требуемой мощности.

Стекло лучше взять подешевле и полегче, органическое. Хорошо подойдет монолитный поликарбонат толщиной 4 мм: его светопропускание приемлемо, 0,92, цена невысока, а относительно небольшой коэффициент преломления обеспечит небольшое боковое отражение. Плохое пропускание УФ частично компенсируется малой теплопроводностью. По поверхностной износостойкости поликарбонат – одно из лучших органических стекол, для дешевой самоделки его хватит.

Утепляют корпус пенопластом; для летнего СК достаточно 20-30 мм. Утепляют в 2 слоя равной толщины с прокладками из алюминиевой фольги, но об этом ниже. Утеплять ящик прочности ради нужно изнутри. Если вы читали статьи об утеплении зданий, учтите: при разности температур, которую плоский СК обеспечивает, и при достаточно высокой температуре снаружи говорить о блужданиях точки росы не приходится.

Непременное дополнение к утеплению – герметизация всех стыков и мест проводки трубопроводов силиконом. Сквозь малейшую щелочку с током воздуха «высвистит» столько тепла, что толку от СК если и будет, так только «для вида». Сначала герметизируют корпус (до покраски); после установки теплообменника – трубки, а стекло укладывают на «колбаску» герметика, нанесенную в выбранную по верху бортов четверть. Дополнительно фиксируют сверху рамкой, скобками и т.п.

Пирог

«Пирог» (см. рис. справа) в данном случае – хорошо поглощающая ИК-излучение подложка и быстро, пока ИК-кванты не успели «удрать», отдающая тепло в теплообменник. Основа «пирога» ­– алюминиевая пластина. Медь подходит хуже из-за высокой теплоемкости. Дополнительные экраны из фольги большую часть «беглецов» возвращают обратно; дерево и пенопласт для ИК – материалы не вполне непрозрачные.

Вторая изюминка «пирога» – покраска. Красят заодно с уже установленным на хомутах теплообменником. Красить нужно масляной (медленно сохнущей) черной краской на пигменте «Сажа газовая»; его можно приобрести в художественных магазинах. Краски на основе синтетических пигментов в ИК-лучах будут совсем не черными.

После покраски нужно подождать, пока краска не подсохнет до сухого отлипа, т.е. на ней после легкого нажатия пальцем должен остаться его отпечаток, а сам палец не испачкаться. Тогда красочное покрытие пробивают поролоновым тампоном или очень мягкой торцевой кистью. Последнее лучше, но требует определенного навыка, чтобы не проткнуть еще мягкое покрытие насквозь. В итоге получится пленка, довольно-таки напоминающая по свойствам модель АЧТ.

Примечание: очень хороший вариант – старая тонкостенная штампованная отопительная батарея. Тогда не нужно искать алюминий. Только красить надо, как описано выше, а не оставлять как было, см. рис.

 

 

Теплообменник

Самый простой и достаточно эффективный теплообменник – спиральный из тонкостенного пропиленового шланга, см. рис. справа. Он сам по себе уже похож на модель АЧТ. Медный такой же будет еще лучше, но значительно дороже. Однако у плоского спирального теплообменника есть неприятное свойство: в любом положении, кроме строго горизонтального, со временем неизбежно завоздушивание: при нагреве из воды выделяется растворенный в ней воздух, а восходящих дуг, где ему можно скапливаться – хоть отбавляй. Тем не менее, теплообменник в виде плоской спирали может найти применение в самодельном СК для бассейна с компактным концентратором, см. далее.

Лучший теплообменник – зигзагообразный из медной трубки с просветом диаметром 10-12 мм. Почему именно таким? Потому, что для быстрейшего нагрева воды в баке тепловая мощность камеры СК должна быть немного больше той, которую способен принять теплообменник с водой и при заданной разнице температур; для самодельных СК – 15-25 градусов. Иначе температура воды на выходе будет сначала слишком низкой, и ей придется сделать много оборотов в системе, пока бак нагреется.

Второй параметр, который обусловил выбор трубки – сопротивление току воды. При увеличении просвета трубы с 5 до 10 мм оно падает быстро, а далее – медленнее. Третий фактор – минимально допустимый радиус ее изгиба, 5 диаметров для тонкостенной трубки без покрытия (для сплит-систем кондиционеров). Тогда ширина петель зигзага получается 100 мм, что как раз оптимально с точки зрения теплопередачи. И можно пользоваться обычным ручным трубогибом.

Примечание: эти соотношения справедливы для описанного «пирога» на алюминиевой подложке. Что касается штампованных радиаторов отопления, то там все просчитано до нас. То, что хорошо отдает тепло, хорошо его и поглощает. Это одна из аксиом термодинамики.

Не зная этих обстоятельств, можно совершить типичные ошибки, см. рис. Слева – толстая труба с широкими петлями не примет сразу все генерируемое ящиком тепло. Плохой КПД, медленный нагрев. В центре наоборот, мощность камеры для данного теплообменника недостаточна. КПД может быть приемлемым, но греться бак будет все равно долго. Кроме того – кошмарная работа по сборке, выявлению и устранению утечек («Все герметичные стыки текут» – один из законов Мерфи). Справа – все вроде бы ОК, включая покрытие теплообменника (радиатор старого холодильника). Но просвет трубки – 3-4 мм, этого мало. «Не протолкнувшемуся» к воде ИК деваться некуда, кроме как зря наружу, а повышенное сопротивление току жидкости (вода – не фреон) гарантирует низкий КПД и медленный нагрев.

Примечание: КПД описанного выше СК при аккуратном исполнении превышает 20%, что сопоставимо с промышленными образцами данного типа.

Снова бак

Пришло время заняться баком-аккумулятором вплотную: без него от СК толку будет чуть. Начнем с расчета объема – нам нужно за день взять от Солнца все, что позволяет СК и сохранить подольше; это особенно важно, если от панели задействовано и отопление. Маленький бак скоро прогреется и затем СК будет «кочегарить» без пользы, т.к. разогреваться до бесконечности он не может. В слишком большом баке вода за день не успеет нагреться до температуры, которую способен обеспечить СК, и мы опять же не используем полностью тепловой потенциал данной площади. Почему берем – за день? Потому, что рассчитываем на сезонное использование с подогревом, а к ночи уже может понадобиться отопление. Летом же на даче – чтобы помыться, не дожидаясь вечера; желательно – нескольким людям.

Пусть места у нас не совсем хмурые, и 4 кВт*ч/день мы получаем. Тогда, см. выше, Солнышко на 1 кв. м изливает мощность 286 Вт. Размеры ЭПП возьмем 1х1,5 м (это для примера, сделаете большую – хуже не будет), т.е. площадь ЭПП – 1,5 кв. м; КПД СК примем 20%. Получаем: 286 Вт х 1,5 х 0,2 = 85,6 Вт, это тепловая мощность нашей панели. 1 Вт = 1 Дж*с, т.е. каждую секунду СК выдает в трубу (подающую) 85,6 Дж. А за 12 световых часов – 85,6 х 12 х 3600 = 3 697 720 Дж или 3 697,72 кДж.

Сколько воды сможет принять это в себя? Зависит от разности температур. Возьмем исходную в 12 градусов (мелкозаглубленный водопровод весной/осенью или колодец); конечную – 45 градусов, т.е. нагрев будет на 33 градуса. Теплоемкость воды – 1 ккал/л или 4,1868 кДж/л (1 кал – 4,1868 Дж). При нагреве на 33 градуса 1 л воды примет 4,1868 х 33 = 138,1644 кДж. Емкость понадобится всего-то чуть больше 26 л. Летом, при высоком стоянии Солнца и длинном световом дне – под 50 л. Или, в расчете на несколько ясных дней кряду и хорошей теплоизоляции бака – до 200 л. Что, в общем-то и сложилось стихийно: баков, больших, чем из бочки, любители не делают.

Погодите, но ведь люди-то под солнечным душем моются? Отопление – шут пока с ним, ясно, что тут нужны как минимум 4 панели. И теплопотери не мешало бы учесть, хотя бы 20% от накопленного за ночь. Верно, на то и техника, чтобы обходить ограничения упрямой теории. К слову: «Нет ничего практичнее хорошей теории» – это все тот же великий практик Эдисон. Только технические выкладки и расчеты оказываются куда более громоздкими, поэтому даем просто результат – схемы баков с питанием от водопровода и с ручным наполнением, см. рис.

Идея – чтобы одному можно было помыться летом уже спустя 1,5-2 часа после включения СК. Т.е., отбираем верхний нагретый слой воды; в случае ручного наполнения – заборником из гибкого шланга на поплавке. Длину гибкого звена нужно брать умеренную: при слишком коротком в полном баке шланг встанет торчком, а слишком длинный при низком уровне воды ляжет на стенку бака.

Расположение патрубков рассчитано так, чтобы при любом использовании горячие и холодные потоки как можно меньше перемешивались, т.е. мы нарочно расслаиваем воду по температуре. Лучший сосуд для бака – бочка, уложенная на бок. Тогда шлам (отстой) займет малую часть его емкости. Утепление – пенопласт от 50 мм. И нужно предусмотреть еще 1 сливной патрубок с запорным вентилем в наинизшей точке всей системы, при входе обратки в СК. Еще не забудьте – отборный патрубок обратки должен быть приподнят над днищем, иначе шлам скоро засорит СК, а чистить его трудно. Трубы – обычные водопроводные, от 1/2 до 3/4 дюйма. Гибкое звено – армированный ПВХ шланг для полива; его поплавок – пенопласт.

Примечание: возвышение стока обратки над днищем взято в расчете на обычную в РФ жесткость питьевой воды до 12 нем. градусов. По санитарным нормам ее предельное значение – 29 нем. градусов. Тогда возвышение обратки нужно брать 80-100 мм, а патрубок подачи горячей поднять над ним на те же 20-30 мм.

О воздушно-солнечных СК

Иногда бывает необходимо греть от Солнца не воду, а воздух. Не обязательно для отопления; допустим, для сушки урожая или сбора. Вследствие малой теплоемкости воздуха конструкция воздушного СК должна иметь ряд особенностей. Подробнее о них, а заодно о применении СК для воздушного отопления (для сезонной дачи это весьма актуально), можно узнать из ролика:

Видео: самодельное воздушно-солнечное отопление

Необычные самоделки

Мастер-любитель не был бы им, если бы не стремился все сделать по-своему из подручного хлама. И, надо сказать, результаты бывают удивительные. Все оригинальные самодельные СК обозреть в одной публикации невозможно, возьмем 3 для примеров, так сказать, разного знака.

На рис. – воздушный, т.е. проще водяного, СК из пивных банок. Не будем хихикать в кулак или возмущаться: «Да я же столько не выпью!» Поглядим технически. Сама идея весьма даже здравая: провалы между рядами банок приближают способность панели поглощать свет к модели АЧТ. Но! Материалы – алюминий, дерево, силиконовый герметик. Их коэффициенты температурного расширения (ТКР) существенно различны. Стыков – более 200. Элементарный подсчет с учетом закона больших чисел показывает, что, если к концу первого сезона эксплуатации панель не потечет сильно, это чудо.

А вот солнечный коллектор из пластиковых бутылок на рис. ниже выглядит не столь изящным, но вполне работоспособен. В сущности, это цепочка линейных светоконцентраторов, см. далее. Емкости собираются в «колбасы», как при постройке теплиц, парников, беседок и т.п. легких построек из бутылок, но нанизываются не на жесткий стержень, а на прозрачный ПВХ шланг. Тыльная сторона «колбас» оклеивается алюминиевой фольгой, хотя бы рукавом для запекания. В данном случае используется тот факт, что вода сама по себе неплохо поглощает ИК. КПД установки невелик, зато стоимость – судите сами. А за Солнце налога пока не берут.

Еще интересная самоделка из бутылок – узбекский «Илдар», см. рис. ниже. Принцип действия тот же; в наших краях весьма желательно нижнюю поверхность бутылок фольгировать. При монтаже на южном скате крыши не требуется рам, подпорок, переборки кровли и усиления ригеля (несущего каркаса) крыши. Стыков много, но стыкуются сходные по ТКР материалы, так что надежность достаточная. Самым крепким будет стык по поз. Б, когда бутылки напяливаются друг на друга. Повторяют «Илдар» мало, а зря. Видимо, смущает то, что ток воды показан обратный термосифонному. Но термосифонный напор гораздо слабее гравитационного из бака, так что «Илдар» вполне работоспособен.

Примечание: в бутылочных СК длину 1 «колбасы» нужно в средних широтах брать около 3 м, а в параллель соединять таких побольше, сколько бутылок есть или сколько место позволяет.

Концентраторы света

Светоконцентратор – система зеркал или линз, собирающая свет с освещенной площади и перенаправляющая его в определенное место. Светоконцентраторы не делают всю гелиоустановку компактнее, как иногда пишут. Плюс, точнее – минус, в том, что коэффициент светопропускания собирающей системы редко достигает 0,8; чаще всего – 0,6-0,7, а для самоделок – порядка 0,5. Солнечный концентратор, или гелиоконцентратор, позволяет решить следующие задачи:

1. Упростить конструкцию приемника излучения, сделать самую сложную часть гелиосистемы компактнее и уменьшить количество требующих герметизации стыков в ней.
2. Увеличить освещенность приемника излучения и тем самым усилить светопоглощение.
3. Повысить температуру теплоносителя, что дает возможность полнее использовать накопленную энергию.
4. Упростить процедуру ориентации приемника излучения на Солнце; в ряде случаев возможна однократная юстировка по меридиану и углу места.

Пп. 1 и 3 позволяют в промышленных установках добиться большего общего КПД системы. Дома сделать такие установки сложно, т.к. требуется система непрерывной точной ориентации на Солнце. А вот пп. 2 и 4 могут помочь домашнему умельцу.

Примечание: любой гелиоконцентратор собирает только прямые лучи. Если вы рассчитываете на использование своей установки и в пасмурную погоду, светоконцентраторами можно не заниматься.

Основные схемы солнечных концентраторов показаны на рис; там везде 1 – собирающая система, 2 – светоприемник. Бывают еще компактные концентраторы, одним из них займемся ниже. А пока – схемы в) и д) требуют непрерывного отслеживания Солнца; схема в), кроме того – изготовления параболического зеркала. Можно приспособить спутниковую тарелку, но цены на них, надо полагать, знаете. И нужно делать электронику, управляющую прецизионным 2-координатным электромеханическим приводом. Схема с линзой Френеля г) иногда используется для повышения эффективности малогабаритных солнечных батарей, но они при этом гораздо быстрее деградируют, см. далее.

Мы займемся линейными концентраторами, пп. а) и б), как наиболее пригодными для самодельных гелиоустановок. Схема в виде полуцилиндрического зеркала а) в общем рассмотрена ранее, вместе с бутылками. Можно только добавить, что ориентировать ее (см. далее) можно как по меридиану, так и перпендикулярно ему в зависимости от того, как требуется направить ток воды в трубе-приемнике. Этот концентратор ускоряет нагрев воды, но при ориентации по меридиану значительно сокращает длительность светового дня для приемника, т.к. при углах падения сбоку более примерно 45 градусов от нормали свет вообще не улавливает. Переотражение в нем всегда однократное. Коэффициент светопропускания в системе алюминиевая фольга + ПЭТ 0,35 мм – около 0,7.

Концентратор из зеркал косого падения б) улавливает свет в пределах углов падения от нормали в 60 градусов и более. Может выполняться линейным и точечным. Видимое сокращение светового дня летом в южных краях с ним почти незаметно. Однако утром и вечером КПД установки сильно падает, т.к. свет тогда испытывает до 4-5 переотражений. Для справки: коэффициент отражения оптически полированного алюминия – 0,86; оцинкованной стали – около 0,6.

Все же для желающих сделать такой приводим профиль зеркал, см. рис. Шаг сетки выбирается исходя из реальных размеров установки. Учтите, что юстировка нужна хоть и однократная, но точная: 22 июня или в ближайшие к нему дни в астрономический (не поясной!) полдень крылья сводят/разводят и подгибают так, чтобы каустика (яркая полоса сконцентрированного света) легла точно по трубе-приемнику. Ее диаметр – около 100 мм, материал – тонкий зачерненный металл.

Больший интерес для самодельщика представит, вероятнее, 1 из видов компактных неориентируемых концентраторов, см. след. рис. Его вообще не нужно наводить на Солнце: установленный горизонтально, он собирает его лучи в пределах углов падения до 75 градусов от нормали, которая в данном случае направлена в зенит. Т.е., берем описанный выше СК из шланга, свитого в спираль, снабжаем этим концентратором, и получаем подогреватель воды для бассейна.

Чтобы свести лучи Солнца в точку, пояса концентратора нужны параболического профиля (врезка слева вверху на рис.), но у нас приемник протяженный круглый, поэтому можно обойтись коническими. Какие при этом размеры и соотношения нужно выдержать, ясно из рис. Крайний пояс (обозначен красным) эффективности устройства почти не увеличивает, без него лучше обойтись. Светопропускание – около 0,6, поэтому толк от этого концентратора будет только в ясный летний день. Но бассейн-то как раз тогда и нужен.

Батареи

Теперь займемся солнечными батареями (СБ). Для начала – немного теории, без этого не понять, что и когда в них хорошо и плохо. И как правильно выбрать СБ для покупки или сделать самому.

Принцип работы

В основе СБ лежит элементарный полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), см. рис. справа; если кто-то углядит там «нескладушки» со школьной электростатикой, учтите: заряды получают энергию от постороннего источника – Солнца. Способность полупроводников пропускать электрический ток описывается зонной теорией проводимости, созданной в 30-х годах прошлого века трудами в основном советских физиков. Штука это очень сложная, ее понимание требует знания квантовой механики и ряда других дисциплин. Очень упрощенно (да простит физик-технолог, если прочтет) принцип действия ФЭП выглядит следующим образом:

1. В кристалл кремния высокой чистоты вводятся, каждая в свою область, донорные и акцепторные примеси из металлов, атомы которых способных встраиваться в кристаллическую решетку кремния, не нарушая ее; это т. наз. легирование. n-область (катод) легирована донорами; p-область (анод) – акцепторами.
2. Доноры создают в своей области избыток электронов; акцепторы в своей – равных им по величине положительных зарядов – дырок, это вполне корректный физический термин. Электроны и дырки от легирующих присадок это т. наз. неосновные носители зарядов. Дырки – не античастицы позитроны, это просто места, где электрона не хватает. Дырки могут блуждать (дрейфовать) в пределах кристалла, т.к. акцепторы все время перехватывают друг у друга электроны.
3. Электроны с дырками притягиваются друг к другу, стремясь взаимно нейтрализоваться (рекомбинировать).
4. В кристалле (вот тут-то вовсю и разыгрываются его квантовые свойства) свободно соединиться за конечный промежуток времени они не могут, поэтому в пограничном слое образуются большие объемные заряды соответствующего знака; в целом же пограничный слой электрически нейтрален.
5. Солнечная энергия как бы выбрасывает электроны из пограничного слоя в катод и на отрицательный электрод-токосъемник.
6. Дырки за электронами последовать не могут, т.к. дрейфовать способны только в пределах кристалла.
7. Электронам ничего не остается, как пройти по электрической цепи и отдать полученную от Солнца энергию потребителю, это и есть электрический фототок.
8. Оказавшись в анодной области, электроны получают очередной «пинок» от квантов солнечного света, который не дает им рекомбинировать с дырками и запускает в цепь снова и снова, пока кристалл освещен.

Еще слово к кулибиным

За самодельные СБ берутся чаще всего радиолюбители и электронщики. Как правило, в основах теории полупроводников они разбираются. Для них, на всякий случай, поясним, чем отличается ФЭП от похожего на него диода, и почему выжать значительный фототок из кристаллов диодов/транзисторов не получится:

• Степень легирования анода и катода ФЭП на порядки, и даже на много порядков выше, чем у активных электронных компонент.
• Катод и анод легированы примерно в одинаковой степени, насколько позволяет планарно-эпитаксиальная технология.
• Пограничная область широкая (назвать ее p-n переходом в данном случае можно только с большой натяжкой), чтобы было больше «рабочего пространства» для квантов света, а объемный заряд в ней весьма велик. В производстве компонент электронных схем стремятся к обратному, чтобы повысить быстродействие.

Особенности структуры ФЭП исходят из того, что он не приемник электроэнергии в виде приложенного напряжения, а ее генератор. Отсюда следуют выводы, важные уже для любых пользователей:

1. Т.к. попавших в кристалл квантов света всегда больше, чем свободных электронов там, лишние кванты тратят свою энергию на возбуждение атомов кристалла, отчего он со временем портится, это т.наз. деградация или старение ФЭП. Попросту говоря, СБ изнашивается, как и любая техника, и со временем садится, как и любая электрическая батарея.
2. Прохождение электрического тока при подключении ФЭП к цепи потребителя ускоряет деградацию, т.к. принудительно дрейфующие в кристалле электроны, так сказать, бьют по атомам и постепенно выбивают их со своих мест.
3. Запас энергии в ФЭП определяется величиной объемного заряда, солнечный свет только инициирует его перераспределение.
4. ФЭП и состоящие из них СБ боятся загрязнений: постепенно проникая (диффундируя) в кристалл, они нарушают его структуру. «Ядовитые» примеси есть и в воздухе, а «смертельная» для фотоэффекта их доза ничтожна.

П. 3 требует дополнительных пояснений. Именно: СБ не способна выдавать экстраток. К примеру, стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) емкостью в 90 А/ч кратковременно выдает ток в 600 А. Теоретически – еще много более, пока не взорвется от перегрева. Но, если в спецификации на СБ написано «Ток КЗ (короткого замыкания) 6А», то больше из нее и не выжать никакими способами.

Примечание, на всякий случай: легировать кремний до бесконечности нельзя, он превратится просто в грязный металл («высокая» степень легирования выражается десятичной дробью со многими нулями после запятой). А в металлах внутреннего фотоэффекта не бывает. Эффект Холла можно с трудом нащупать, но фотоэффект принципиально невозможен: зону проводимости металлов заполняет вырожденный электронный газ, он просто не пустит кванты внутрь, оттого металлы и блестят. Да, зона в данном случае – не область пространства, а совокупность состояний частиц, описываемая системой квантовых уравнений.

Устройство

Один ФЭП без нагрузки создает разность потенциалов 0,5 В. Она определяется квантовыми свойствами кремния и ни от каких внешних условий не зависит. Под нагрузкой напряжение ФЭП падает, т.к. его внутреннее сопротивление велико. Квантовая механика закона Ома не отменяет. Поэтому напряжение батареи берут с полуторным запасом: если, к примеру, 12 В СБ набирается из модулей на 0,5 В, то их берут по 36 на столб, что даст напряжение ХХ (холостого хода) в 18 В. На полуторную перегрузку по напряжению питания рассчитываются все потребители постоянного тока. Ток КЗ одного ФЭП – от нескольких до сотен мА; он зависит от площади экспонированной (освещенной) поверхности элемента.

В продажу и на сборку поступают модули (элементы) из многих ФЭП, соединенных на общей подложке последовательно, параллельно или и так, и этак; их напряжение ХХ и ток КЗ указываются в спецификации на изделие. С этим связано распространенное заблуждение, что, мол, СБ нужно набирать только из элементов на 0,5 В, а другие – некондиция. Наоборот, модули от добросовестного производителя на, скажем, 6V 4W, т.е. на 6 В и 0,67 А, будут надежнее самосборных с теми же параметрами. Хотя бы потому, что здесь ФЭП выращены на одной пластине и их параметры точно совпадают.

В схеме солнечной батареи SB (см. рис.) модули PE соединяются в столбы E, обеспечивающие нужное напряжение; как правило – 12, 24 или 48 В. Столбы для получения требуемого рабочего тока соединяются параллельно. Т.к. модули в столбах не обязательно выполнены из одного и того же кристалла, внутренние сопротивления столбов несколько различаются, «плывет» и напряжение под нагрузкой. Через столбы малость помощнее (с меньшим внутренним сопротивлением) потечет обратный ток, а от него деградация ФЭП происходит стремительно. Радиолюбителям можно вспомнить, что, если диод хоть чуть-чуть приоткрыть «со стороны», он начинает пропускать и обратный ток, на этом основана работа тиристора. Поэтому столбы блокируются от «обратки» диодами VD. Чаще всего используют диоды Шоттки, т.к. падение напряжения на них невелико и дополнительного охлаждения на больших токах им не требуется. Но иногда (см. далее, о СБ-самоделках) может понадобиться и диод с p-n переходом.

При включении/выключении мощных потребителей неизбежно возникают т. наз. переходные процессы, сопровождающиеся экстратоками. Всего на несколько мс, но нежной СБ этого хватит, чтобы быстро сесть. Поэтому к СБ для питания мощных устройств обязательно необходима буферная АКБ GB. Управляет распределением токов в СБ контроллер C; это управляемый источник тока, регулирующий и ограничивающий рабочий ток СБ совместно с током заряда АКБ. В простейшем случае разряд АКБ – свободный сообразно уровню потребления. Инвертор I преобразует постоянный ток от АКБ в переменный 220 В 50 Гц или другой, какой требуется.

Примечание: обвязка справа на схеме (C, I, GB) может обслуживать несколько или много SB. Тогда получим солнечную электростанцию (СЭС).

Очень важные обстоятельства, следующие из вышесказанного: первое, АКБ должна быть включена в схему постоянно. Строить СБ по схеме «глухих» UPS, в которых АКБ дает ток только при пропадании сети – значит обречь СБ на быструю деградацию вследствие экстратоков. Ресурс АКБ в «проточной» схеме существенно снижается, но тут уж ничего не поделаешь, разве что использовать дорогие АКБ с гелевым электролитом. Так что не надо и еще раз не надо конструировать СБ с компьютерными UPS. Второе – рабочий ток нужно брать примерно 80% от тока КЗ. Если, к примеру, по расчету вышел ток первичной цепи 12 В в 100 А, то СБ нужно проектировать на 120 А.

Третье – в данной схеме при глубоком разряде АКБ возможен обратимый системный отказ, когда все исправно, а тока нет. Поэтому в реальных СЭС обвязку дополняют сигнализацией переразряда АКБ (пищит еще противнее, чем UPS без сети) и автоматикой, выключающей инвертор, если хозяева проигнорировали сигнал. В самых дорогих СЭС инвертор имеет несколько выходов, проводка 220 В – несколько ветвей, и автоматика отключает потребителей в порядке, обратном их приоритету; холодильник, напр., последним.

СБ без обвязки принято называть солнечной панелью. Ее конструкция (см. рис.) обеспечивает прежде всего уменьшение световой деградации, затем – эффективное использование света и механическую прочность. Первое дает главным образом специальное стекло, отсекающее кванты, которые наверняка не дадут тока; чувствительность ФЭП к лучам разных зон спектра существенно неравномерна. Некоторую фильтрацию света дает и пленка ЭВА, но она более предназначена для повышения эффективности: уменьшает светопреломление и боковое отражение, т.е. просветляет покрытие. Стекло, ЭВА и элементы под ней «слеплены» в единый пирог без воздушных зазоров, так что подобная конструкция – не для любителей. ПЭТ-подкладка, во-первых, механический демпфер(кристаллический кремний – вещество хрупкое, а пластины элементов тонкие). Во-вторых, она изолирует модули от корпуса панели электрически, но обеспечивает теплоотдачу греющихся в работе элементов, т.к. ПЭТ получше других пластиков проводит тепло. О диодах уже было сказано. Весь пирог помещается в прочный металлический корпус (он же служит теплоотводом) и тщательно герметизируется.

Гибкая солнечная батарея

Примечание: в продажу поступают и гибкие СБ, см. рис. справа. Они могут быть дешевле и эффективнее жестких панелей той же мощности, но помните – эти СБ не рассчитаны на преобразование отдаваемого тока. Применяются гибкие СБ в основном для питания потребителей постоянного тока небольшой мощности в разного рода мобильных или удаленных необслуживаемых объектах.

 

Покупные СБ

Чтобы подготовиться к покупке или изготовлению СБ или СЭС, нужно усвоить понятия пикфактора, пикового и долговременного энергопотребления. В быту это проще, чем в сложных энергосистемах. Допустим, у вас на щитке со счетчиком стоят автоматы защиты или пробки на 25 А. Тогда от сети вы можете взять до 220х25=5500 Вт или 5,5 кВт. Это и есть ваше пиковое потребление, но, если рассчитывать электросеть на пик, то она выйдет неоправданно дорогой: мощные потребители не включаются надолго и все сразу.

Электрики при расчете электросетей берут пикфатор = 5; соответственно, долговременная потребляемая мощность будет 0,2 от пиковой. В нашем случае – 1,1 кВт. Однако, если рассчитать СЭС на такой пик, то емкость АКБ получится слишком большой, сама батарея – дорогой, а ее ресурс – гораздо меньше нормального. Для минимизации стоимости СЭС ее пикфактор нужно брать вдвое меньше, 2,5. В СЭС СБ «тянут» долговременную нагрузку, а пики берет на себя АКБ, т.е. нам в данном случае нужна СБ на 2,2 кВт и АКБ, способная отдавать 5,5 кВт в течение часа или 1,1 кВт в течение 12 час (темное время суток).

Экономика

Цена СБ на рынке держится в пределах 50-55 руб. за 1 Вт мощности для поликремниевых батарей (см. ниже) и 80-85 руб./Вт для монокремниевых. Но тут вмешиваются дополнительные обстоятельства:

• КПД монокремниевых СБ более чем вдвое выше чем поликремниевых (22-38% против 9-18%) и они долговечнее.
• Мощность поликремниевых СБ в пасмурную погоду падает меньше, и по истечении срока службы они полностью деградируют медленнее.
• Коэффициент использования энергии (КПД по энергии) буферной кислотной АКБ составляет 74%, а прочие их типы, кроме ужасно дорогих литиевых, для буферизации СБ подходят плохо.

С учетом этих факторов и климатических условий РФ цена 1 Вт выравнивается и оказывается около 130-140 руб./Вт. СБ на 1,1 кВт, таким образом, обойдется где-то в 140-150 тыс. руб. Надолго ли ее хватит? Сроки службы СБ никак не регламентированы; производители дают обычно 5, 10, 15 и 25 лет. Что по данным выходного контроля 5 лет не протянет, идет в продажу поэлементно для самосборки. Учтите, самодельщики!

Цена готовой СБ, разумеется, растет сообразно сроку службы. По изучении фирменных деклараций и подсчетов наиболее окупаемыми оказываются СБ на 15 лет. Здесь есть коварная тонкость: СБ выпускаются кондиций Grade A, Grade B, Grade C и Ungrade (некондиция). Соответственно, мощность СБ к концу срока службы падает на величину до 5%, 5-30% и свыше 30%. Однако, если вы купите СБ Grade A на 5 лет, то рассчитывать, что она потом протянет еще 25, пока не зачахнет на 30%, нельзя. Вследствие возрастания нагрузки на оставшиеся исправными ФЭП в элементе процесс деградации развивается лавинообразно: поли- держатся еще полгода-год, а моно- 2-4 месяца.

Итак, считаем дальше. При правильном выборе первичного постоянного напряжения (см. далее) за 15 лет понадобится 1 замена АКБ стоимостью около 70 тыс. руб. Плюс обвязка, провода, шины, коммутационные элементы, металлоконструкции или работы на крыше, это еще примерно 150 тыс. руб. Около 30 тыс. обойдется аккумуляторная; ставить АКБ в жилых помещениях категорически нельзя. Имеем:

1. СБ – 150 000 руб.
2. АКБ – 140 000 руб.
3. Обвязка – 150 000 руб.
4. Аккумуляторная – 30 000 руб.

Итого 470 000 руб. СЭС под ключ той же мощности обойдется примерно в 1,2-1,5 млн. руб. Но насколько оправдано то или другое?

В 15 годах 15х24х365=131 400 часов. Мы за это время потребим 131 400х1,1=144 540 кВт/ч. 1 кВт/ч от своей СЭС обойдется в 470 000/144 540 = 3,25 руб. Действующие расценки (от 3,15 до более чем 6 руб.) вы знаете. Выгода вроде не очень, учитывая, что эти «пол-лимона» нужно еще где-то взять, не влезая в долги по теперешним кредитным ставкам. Тем не менее, строить себе СЭС уже оправдано в таких случаях:

• В удаленных труднодоступных местах с нестабильным энергоснабжением. Жизнь дороже любых тарифов. Хотя бы тепличных растений и домашних животных, дающих пропитание и доход.
• В товарных хозяйствах, требующих непрерывного энергообеспечения, тех же теплицах или, допустим, птичниках. Можно строиться на дешевой земле без инфраструктуры, а затраты на СЭС, возможно, сразу же окажутся меньше стоимости прокладки фидера электропитания.
• В больших домовладениях, систематически перебирающих базовый лимит потребления.
• В коллективном пользовании. Пример: СЭС на 15 кВт пиковых (3 средних дома) обойдется где-то в 1,5 млн. руб. самостроем или 2,5 млн. руб. под ключ. «Сбросившись» с соседями/родственниками, получим те же 500 000 руб. и 5 кВт на дом, но стабильно и безо всяких сношений с энергокомпаниями.

У кого брать?

Однако бежать «за батарейками» рано. На рынке СБ ситуация очень сложная: высокий и неупорядоченный, на грани ажиотажного, спрос во всем мире порождает жесткую и зачастую недобросовестную конкуренцию. Мировой лидер в данном сегменте – КНР, и благодаря не «китайским» ценам (они вовсе не демпинговые), а действительному качеству. Но Китай – страна очень неоднозначная; шанхайско-уханьских оффшорных подвальчиков, маскирующиеся под надежные госпредприятия, там хватает. С другой стороны, западные «киты» отрасли в панике под угрозой банкротства пускаются во все тяжкие, лишь бы товар вперить, не щадя своего доброго имени.

В России по части выбора производителя есть неплохая отдушина. Электроника и полупроводниковая промышленность СССР и РФ по научно-техническому уровню всегда были на высоте; первые ЦП Intel, между прочим, делались из советского кремния, Силиконовая долина тогда еще разворачивалась. Но по валу советско-российская электроника заметна в мире никогда не была; работали в основном «на войну». В перестройку в продаже замелькали изделия лучше тогдашних мировых, но конкурировать с «акулами» было уже поздно. К примеру – см. рис. Работает безотказно до сих пор, расчеты к статье на нем делались. А у его более дорогих и с меньшими возможностями ровесников Casio и Texas Instruments клавиши стерлись и СБ сели уже давно.

Ныне в РФ действуют несколько предприятий, располагающих чистыми помещениями, обученным персоналом, инженерно-техническими кадрами и опытом работы в данной сфере. На плаву они держатся благодаря правильной рыночной тактике: закупают у проверенных китайских поставщиков компоненты СБ, пропускают через собственных входной контроль и собирают в панели по всем правилам технологии. Заявленным параметрам их продукции можно верить безусловно. К сожалению, таких после прошедших пертурбаций осталось немного:

1. Телеком-СТВ в Зеленограде, торговая марка ТСМ.
2. РЗМКП, Рязань, ТМ RZMP.
3. НПП «Квант», Москва, складные переносимые СБ.

В последнее время на рынке СБ хорошо продвигается МикроАРТ (ТМ «Инвертор»), и вроде бы не зря. Но фальстартов в данном сегменте было и было, так что к «Инвертору» нужно еще присмотреться. Есть еще одно обстоятельство: пленка ЭВА. Она должна быть морозостойкой, иначе при минусовых температурах грубеет, постепенно отслаивается и СБ выходит из строя. Поэтому при выборе нужно обязательно смотреть диапазон рабочих температур и допустимое время воздействия минимальной. Или, в конечном итоге – срок гарантии в данных климатических условиях.

Какие брать?

То, что утверждения вроде «моно – круто, поли – отстой» скорее эмоциональны, чем обоснованы, вам, наверное, уже ясно. Разница между ними, кстати, не столь уж принципиальна. Кремниевые болванки высшей кондиции, наиболее однородно перекристаллизовавшиеся, идут на большие чипы. 1 кондиция – на среднюю степень интеграции, 2-я – на дискретные компоненты, и только 3-я – на СБ. «Моно» отличаются от «поли» тем, что в первых на срезе одного кристалла в болванке (кристаллита) выращивается несколько ФЭП или 1 большой; в поликремниевых СБ мелкие ФЭП занимают каждый примерно по 1-му также мелкому кристаллиту.

Однако производители и торговцы-жулики пытаются выдать вовсе негодные поли- за моно-, заменяя обозначение сходным по смыслу, но с буквой «м» в начале: мультикристаллические, микроструктурные и т.п. Поэтому напоминаем: поликристаллические модули СБ синего цвета, чаще всего с заметной иризацией (переливами цветов), слева на рис. Монокристаллические очень темные, до совершенно черных; иризация если и есть, то заметна мало, справа там же. А вообще-то на глаз или электрическими измерениями определить качество модуля невозможно, нужен лабораторный химический, кристаллографический и микроструктурный анализ. Чем торговцы-прощелыги вовсю и пользуются.

О первичном напряжении

Чаще всего рекомендуют брать СБ на 12 В. Мол, можно включать 12-вольтовые лампочки-экономки и не нужен спецконтроллер. Во-первых, оборудование постоянного тока на 24, 36 и 48 В вовсе не «спец», это стандартные значения ряда напряжений. Во-вторых, доля экономок в энергопотреблении – всего ничего, а отдельная проводка для них нужна. Но главное не в этом.

Выше подсчитано – для среднего дома нужна буферная АКБ на 5,5 кВт пиковых. Ток от нее при часовом разряде будет 5500/12 = 458,(3) или приближенно 460 А. В широкой продаже есть банки для АКБ емкостью до 210-240 А/ч, из них набирают стартерные АКБ тяжелой спецтехники. Не говоря о стоимости, без запараллеливания АКБ не обойтись, а работать в параллель АКБ любят не больше элементов СБ и по тем же причинам; это общее свойство всех источников постоянного тока. В итоге – АКБ за 100-120 тыс. руб. прослужит от силы 5-6 лет, и за 15 лет понадобится 2-3 ее замены.

А теперь возьмем «первичку» DC в 48 В. Лучше бы 60-72, постоянный ток до 100 В безопасен, только СБ таких не делают. В смысле воздействия на организм человека 50/60 Гц – самые опасные частоты, только деваться уже некуда, их значения сложились исторически. Тогда получим при часовом разряде 5500/48 = 114,58(6) А и емкость АКБ 120 А/ч. Это обычная автомобильная батарея, плюс можно использовать долговечные герметизированные AGM, GEL, OpzS, если денег на них не жалко. И прослужит худшая изо всех (автостартерная) не менее 8 лет, а то и все 15. А обойдется вдвое дешевле огромной.

Есть еще один нюанс. Взгляните на рис. – схему СЭС с первичкой 48 В. Справа внизу – главный автомат на 175 А. Для 12 В понадобится на 700 А. Видели ли вы такие в продаже? Постоянного тока? Сколько стоят? Плюс прочая сильноточная коммутация, автоматика, провода и шины. В общем, если отбросить торговые накрутки, то первичная цепь на 48 В сокращает стоимость СЭС вдвое и более.

Примечание: и упаси вас боже подключать СЭС к уличному вводу! Придется платить дядям по счетчику за свои расходы и труды. Нужно после счетчика поставить пакетник (это уже абонентская проводка и здесь вы полный хозяин, только о ТБ не забывайте) и переключаться обратно с Солнца на общую сеть, вдруг понадобится. Скажем, при замене АКБ или длительном ненастье.

СБ и самоделки

Первое, что надо знать гелиоэнергетику-любителю – в продажу вразброс идут модули отбракованные, которые 5 точно не прослужат. Даже если вы организуете дома чистое производство, они уже «отравлены» ядом медленного действия – вредными примесями. Вдобавок, чтобы сделать фирменный «пирог», нужна камера с глубоким вакуумом, поэтому собрать СБ придется в вентилируемом ящике, а значит – элементы подпадают под атмосферные влияния. Без отвода омического тепла модули СБ деградируют буквально на глазах. Так что на срок службы более 2-3 лет лучше не рассчитывать.

Тем не менее, самоделки могут быть полезными, т.к. 100 Вт их мощности обойдется менее чем в 3000 руб. Какие именно – посмотрим чуть ниже, а пока задержимся на технологии сборки. Достаточно полно она показана здесь:

Видео: изготовление солнечной батареи своими руками

Добавить можно немногое. Первое, не берите в работу явный брак, рассылаемый навалом, слева на рис. Лучше купить конструктор, см. рис. справа. Они комплектуются флюсовыми карандашами и специальными проводниками, что намного уменьшает паечный брак.

 

 

Паять обычным паяльником с канифольным флюсом (справа на рис. слева) тоже не нужно. Контактные площадки модулей серебрёные (кремний не паяется), слой серебра тоненький и держится еле-еле. В домашних условиях он наверняка выдерживает только 1-кратную пайку (на производстве автоматами – 3-кратную), причем паяльником с бронзовым никелированным жалом. Не пытайтесь залудить его, таким паяльником паяют всухую.

Впрочем, умельцы СБ паяют и обычными паяльниками со всяческими предосторожностями; как – можно посмотреть здесь:

Видео: лужение и пайка контактов

Третий момент – до сборки модули нужно откалибровать и столбы собирать из пластин с примерно одинаковыми параметрами (см.видео ниже). Набрать из некондиции модулей на 48-вольтовые столбы почти никогда не удается, так что самодельные СБ делают 12-вольтовыми или 6-вольтовыми.

Видео: калибровка элементов

Теперь о случаях, когда сделать солнечную батарею самому имеет полный смысл. Первый – описанная выше лодка-«резинка». Схема ее энергоустановки – на рис. ниже. Такая же подойдет и для дачи, только вместо мотора нужно включить инвертор 12VDC/220VAC 50 Hz на 200-300 Вт. Для телевизора, небольшого холодильника и музыкального центра этого хватит. Выключатель S2 рабочий, S1 – ремонтно-аварийный и для зимнего хранения.

Штука здесь в том, что падение напряжения на обычном диоде при увеличении тока через него возрастает. Ненамного, но в сочетании с ограничительным резистором Rp (то и другое рассчитано под свинцово-кислотную АКБ 12В 60А/ч!) перегрузка СБ по току длится даже при полностью «пустой» АКБ не более 2-3 мин. Если такая ситуация возникает раз в день, то СБ прослужит от 4 лет, т.е. больше, чем самосбор из некондиции. А бензиновый движок за это время съел бы топлива на сумму, много большую стоимости установки.

Второй случай – зарядка для мобильника. Для нее лучше купить готовый модуль на 6V 5W; схема к нему – на рис:

Выключатель S1 и яркий белый светодиод D3 – тестовые. Если же вы хотите повозиться именно с солнечными модулями, то предлагаем ролики (см. ниже). В данном случае на СБ пойдет и явный брак поштучно, цена копеечная. Кстати, это хорошая практика работы с солнечными элементами прежде чем браться за большую СБ, и полезное приспособление будет.

Видео: мини солнечная батарея для зарядки телефона – сборка и тестирование

Установка и юстировка

Установка солнечных батарей и коллекторов стационарной конструкции производится чаще всего на крыше. Тут возможны 2 решения: либо разобрать часть кровли и включить корпус СК/СБ в силовую схему ригеля крыши (ее каркаса без кровельного пирога), а затем загерметизировать зазор, либо установить панель на подставках из металлических штырей, проходящих сквозь кровлю. А стропила, на которые пришелся крепеж, усилить поперечинами.

Первый способ, разумеется, труднее и требует довольно сложных строительных работ. Однако с его помощью решается не только проблема ветроустойчивости панели. Совсем небольшой подогрев корпуса со стороны чердака намного уменьшает вероятность отслоения пленки ЭВА и увеличивает надежность всей установки. Поэтому в местах с сильными морозами/ветрами он безусловно предпочтителен.

Что касается передвижных (мобильных) или отдельно стоящих наземных панелей, то их монтируют на объемный каркас либо подставку (опору) из металла, дерева и др. Если панель будет на каркасе, его нужно чем-то обшить, чтобы задувший сзади ветер не заставил панель продемонстрировать свои аэродинамические качества, довольно-таки неплохие.

Ориентировать на максимум среднегодовой (среднесезонной) инсоляции (юстировать) неподвижные панели нужно по возможности точнее. Курочка по зернышку клюет, а копейка рубль бережет – в данном случае эти поговорки сказываются в полной мере применительно к сроку окупаемости установки. Азимут выставляют точно по меридиану. Если вы для этого пользуетесь компасом, нужно учесть магнитное склонение места; в GPS или ГЛОНАСС устройствах – включить соответствующую поправку. Можно и отбить полуденную линию (это и есть меридиан), как описано в школьных учебниках по природоведению, географии, астрономии или, скажем, в руководствах по постройке солнечных часов.

Наклон панели по углу места ? в зависимости от его географической широты ? вычисляют для разных случаев с поправкой на наклон земной оси ?=23,26 градуса, вследствие которого высота стояния Солнца в средних широтах меняется по сезонам года:

• Для летних установок ? = ?-?; если ?=<0, панель укладывается горизонтально.
• Для сезонных весна-лето-осень ? = ?
• Для круглогодичных ? = ?+?

Если в последнем случае выйдет ?>90 градусов – вы за Полярным кругом, и зимняя панель вам не нужна. Далее для простоты и точности по углу ? вычисляют величину подъема северного края панели в единицах длины как h = Lsin?, где L – протяженность панели с юга на север. Скажем, панель длиной 2 м установлена вдоль по меридиану. ? вышел в 30 градусов. Тогда северный край (sin 30 градусов = 0,5) нужно поднять на 1 м. При sin? = 1 или около того панель ставится вертикально.

В заключение

Россию, что ни говори, нельзя назвать страной, идеальной для развития солнечной энергетики. Но невелика честь взять, что плохо лежит. А вот прийти к поставленной цели вопреки всему и когда всё против тебя – это большой успех надолго, если только цель достойная и полезная. Примеров в истории много: Голландия, Чили (окультуривание бесплодных земель), Япония – промышленный гигант, почти начисто лишенный источников сырья, в мире как в целом – освоение КВ-радиоволн радиолюбителями (специалисты во всеоружии тогдашних теорий считали их никуда не годными), а в России – хотя бы постройка Транссибирской магистрали, до сих пор аналогов себе не имеющей. Тут самодельшикам есть где разгуляться и, если случится «русское солнечное чудо», наверняка в этом будет и немалая их заслуга.