Сонячні колектори перетворюють сонячну енергію в тепло. Вони є складовою частиною термічної сонячної установки, яка застосовується для нагріву господарсько-питної води і опалення.
Будова сонячного колектора
колектор поглинає сонячне випромінювання і перетворює його завдяки поглинача (наприклад, темний листовий метал) в тепло.
Тепло поглинається рідиною-теплоносієм (сонячної рідиною), яка тече по мідними трубами в поглинач. Потім тепло по теплообміннику передається господарсько-питній воді.
Види сонячних колекторів.
Двома найпоширенішими видами сонячних колекторів є газова плита і колектор, що складається з вакуумних труб. плоский колектор складається з плоского шару поглинача, скляного покриття, рами і ізоляційного матеріалу. У колекторі, що складається з вакуумних труб, поглинач розташовується у вакуумній скляній трубці, що скорочує втрату тепла. Колектори, що складаються з вакуумних труб, більш потужні, але і коштують дорожче, ніж плоскі колектори. Колектори, що складаються з вакуумних труб, особливо добре підходять, якщо місце для установки невелике. Іншим видом є повітряні колектори, які розміщуються в приміщеннях і нагрівають вступник повітря. Так як в більшості випадків для виробництва тепла використовується циркуляція води, то повітряні колектори до сих пір не отримали широкого поширення.
Рідина - теплоносій.
Рідини, які застосовуються для теплопереносу, називаються рідиною - теплоносієм. Вони є основною складовою частиною сонячних теплових установок.
У сонячних теплових установках в якості рідини-теплоносія використовується морозостійка суміш води і пропіленгліколю, яка протікає по колектору і віддає отримане сонячне тепло по теплообміннику господарсько-питній воді. Використовувана в сонячних теплових установках рідина повинна бути, з одного боку, морозотривкої взимку, щоб не завдати шкоди обмерзанням колектора або трубопроводу, а, з іншого боку, вона не повинна випаровуватися при високій температурі. Крім того, слід звернути увагу на те, що ця рідина біологічно расщепляемость. Згідно DIN 4757 T 1 рідина крім цього не повинна бути токсичною, їдкою або дратівливою. Тим часом, в більшості випадків застосовується суміш з 60% води і 40% пропіленгліколю. Вона є морозотривкої до температури -23 градуса і її температура кипіння составляет150градусов.
Теплообмінник.
Теплообмінник переміщує тепло з одного середовища в іншу. Теплообмінники використовуються в сонячних теплових установках для того, щоб переміщати тепло з сонячної установки в міститься в акумуляторі господарсько-питну воду і підтримувати її температуру. Внутрішні теплообмінники розташовуються безпосередньо в сонячному акумуляторі, зовнішні теплообмінники, навпаки, розташовані не в акумуляторі, а вбудовані в систему управління. Внутрішні теплообмінники діляться на які з гладких труб, які зазвичай постачаються вже вмонтованими в систему, і з ребристих труб, які встановлюються безпосередньо у споживача. Зовнішні теплообмінники використовуються найчастіше у великих установках. У них є перевага: від одного теплообмінника можна зарядити кілька акумуляторів, їх пропускна потужність вище і вони майже не покриваються вапном. Але вони дорожче, ніж внутрішні теплообмінники, і вимагають додаткового насоса.
Газова плита.
Одним з найпоширеніших видів сонячного колектора є газова плита. Його виробництво коштує недорого, але в порівнянні з колекторами, що складаються з вакуумних труб, плоскі колектори втрачають більше тепла. Плоскі колектори складаються з площинного поглинача, прозорого що не дає відблисків скляного покриття, теплоізоляції зі зворотного боку і рами (найчастіше з алюмінію або листової сталі).
Поглинач найчастіше представляє собою покритий темною фарбою сталевий лист (наприклад, мідь, алюміній), який з'єднаний з теплопровідними трубами. Шар поглинача «збирає» сонячні промені і перетворює їх в тепло, яке потім передається рідкому середовищі (рідини-теплоносія, найчастіше суміш води і гліколю). А вона вже передає тепло в сонячний акумулятор. Скляне покриття колектора захищає його поглинач від впливу навколишнього середовища і має мінімізувати втрату тепла (парниковий ефект). Придушення відблисків захищає від відображення сонячних променів і збільшує, таким чином, отримання тепла колектором. Теплоізоляція (найчастіше ізоляційний матеріал з мінерального волокна) мінімізує втрату тепла бічними і задньою стінкою колектора.
Колектор, що складається з вакуумних труб.
Колектор, що складається з вакуумних труб, також як газова плита, збирає сонячні промені і перетворює їх в тепло. У колекторі, що складається з вакуумних труб, безліч труб поєднано в один колектор.
Труби зроблені зі скла і евакуйовані, щоб запобігти втраті тепла, тобто, в них міститься вакуум. Поглинач у вигляді смуги сталевого листа вставляється в кожну трубу. У більшості випадків він легко обертається, що дозволяє ідеально вирівняти його по сонцю. Це збільшує надходження тепла в колектор.
Види.
Існує два види колекторів, що складаються з вакуумних труб, які відрізняються за принципом дії: вакуумні труби, по яких рідина протікає безпосередньо, і так звані «жаротрубні». У вакуумних трубах, по яких рідина протікає безпосередньо, рідина-теплоносій тече по тепловій трубі (яка розташовується в скляній трубі) і при цьому забирає тепло з поглинача. Цей вид колектора монтується на південній стороні під кутом, або горизонтально на плоскому даху. У «жаротрубного» системі теплова труба за допомогою вакууму заповнюється водою або спиртом. Він випаровується вже при низькій температура (близько 25 градусів). Виниклий пар конденсується в верхньому кінці теплової труби і по конденсатору передається рідини-теплоносія. Конденсат стікає назад в трубу. У цей м випадку «жаротрубні» колектори повинні розташовуватися під кутом 25градусов.
За допомогою колектора, що складається з вакуумних труб, можна досягти більш високих температур, ніж за допомогою плоского колектора. Мінусом колектора, що складається з вакуумних труб, є більш висока ціна в порівнянні з плоским колектором. Крім того, більшість колекторів, що складаються з вакуумних труб, не можна монтувати в дах. Однак, вони дуже зручні, якщо місце для установки невелике.
Монтаж в дах.
При монтажі в дах сонячної установки сонячний колектор або сонячний модуль вбудовується в дах. Цей вид монтажу найбільше підходить для похилих дахів. Тим часом деякі фірми пропонують колектори і модулі, які механічно і оптично монтуються в даху. «Сонячна» черепиця відповідає останнім словом техніки, вона покриває всю площу даху колекторами і модулями. Монтаж в дах з оптичною точки зору є найпривабливішим варіантом. Мінусом є погане провітрювання задньої стінки сонячних модулів, що може привести до поганої продуктивності модуля (Чим вище ККД модуля, тим він холодніше).
При установці сонячної системи на будівлю з похилим дахом установка модулів на даху обійдеться дешевше, ніж їх монтаж в дах, так як в цьому випадку покрівля порушується тільки в декількох місцях і це не порушує герметичність даху.
«Сонячна» черепиця.
«Сонячна» черепиця - це оптично дуже гарне рішення установки сонячної системи на даху. Перевагою цього виду монтажу є простота управління. Однак, в порівнянні зі звичайними системами його ціна вище.
Існують різні види «сонячної» черепиці для установок, які виробляють електрику з сонячної енергії, і для установок, які виробляють тепло з сонячної енергії. Для установок, які виробляють електрику, сонячні модулі можуть бути вбудовані в черепицю, спеціальної форми. При цьому сонячні модулі будуть кріпитися на даху так, що не буде потрібно додаткова система монтажу, а завдяки спеціальним штекерним з'єднанням вони будуть міцно кріпитися один до одного.
У майбутньому цю систему можна буде легко розширити. Інший варіант, який підходить також для установок, які виробляють тепло, - це спеціальне дахове покриття, в яке вбудовані сонячні колектори або модулі, що оптично і технічно доповнює традиційну дах. Зараз існує безліч виробників даного продукту. «Сонячну» черепицю зараз вважають за краще використовувати і на будівлях, які є пам'ятками архітектури.
Сонячний накопичувач.
Сонячний накопичувач зберігає підігріту сонячною системою воду для подальшого використання. Він є основною складовою частиною сонячної нагрівальної установки. У верхній частині накопичувача знаходиться найтепліша вода, а в нижній - найхолодніша.
Розшарування забезпечується природним принципом: тепла вода легше, тому вона піднімається нагору. У цій системі тепла вода береться з верхньої частини, а в нижню додається холодна вода. Хороші сонячні накопичувачі відрізняються низькою втратою тепла, хорошим температурним розшаруванням і корозійну стійкість. Сонячний накопичувач може підключатися як до сонячного колектору, так ще й до системи додаткового підігріву (наприклад, до газового бойлера), що дозволяє в разі необхідності підігріти воду. Тому традиційні накопичувачі господарсько-питної води не можна використовувати як сонячні накопичувачі.
Установка сонячної системи.
Оптимально розташувати сонячну установку так, щоб колектор або модуль знаходилися на південній стороні. Але навіть при відхиленні від оптимального розташування продуктивність установки падає мінімально. Відхилення на південний захід / південний схід не більше ніж на 50 градусів не тягнуть за собою втрату продуктивності.
При відхиленні на південний захід / південний схід втрати продуктивності складають лише 5%. А розташування установки на схід чи захід скорочує продуктивність лише на 20% в порівнянні з оптимальним розташуванням. В обох випадках втрату продуктивності можна скоротити піднявши колектор або модуль.
Кут нахилу, під яким сонячна система встановлюється на дах або фасад, грає важливу роль для втрати продуктивності. Кут нахилу для установок, які виробляють тепло, повинен становити 45 градусів, для установок, які виробляють електрику, - 30 градусів.
Азимутальний кут.
Азимутальний кут дозволяє розташувати сонячний колектор або сонячний модуль строго на південь. Поряд з азимутним кутом важливу роль відіграє кут нахилу і сезонне положення сонця.
Кут нахилу вказує, на скільки градусів від горизонтальної поверхні повинен бути відхилений сонячний колектор або сонячний модуль.
Монтаж на плоскому даху.
Сонячні колектори і сонячні модулі розташовуються на плоскому даху під кутом. При установці сонячних колекторів і сонячних модулів слід звернути увагу на деякі моменти. Щоб зробити установку на плоский дах спочатку треба з'ясувати, чи допускає статика даху монтаж, тобто, чи здатна площа даху, сам дах і стіни нести додаткове навантаження. Це не само собою зрозуміло, так як плоский дах повинна витримувати власну вагу, а також вітрову і снігове навантаження.
Спеціаліст повинен перевірити не тільки здатність навантаження даху, а й додаткове навантаження від вітру і снігу на сонячний колектор або модуль. Крім того, площа даху повинна бути досить великою і не повинна бути сильно розділена (камінними трубами, надбудовами на даху і тому подібним), щоб необхідна для колектора або модуля площа була по можливості великий і елементи установки не були б затемнені.
Так як роботи по ремонту даху після установки сонячної системи вимагають великих витрат праці, і в залежності від обставин, демонтажу установки, то слід ущільнити дах під час монтажних робіт, щоб під час експлуатації сонячного колектора або модуля (термін їх експлуатації 20 років і більше) звести ремонтні роботи до мінімуму. Винятком є колектор, що складається з вакуумних труб. Зазвичай модулі розташовуються під кутом так, щоб отримати максимальну продуктивність. Але їх можна розташовувати на даху і горизонтально. Поглинач в них можна повернути так, щоб він знаходився під оптимальним кутом до сонця.
Затемнення.
Затемнення грає особливо важливу роль для сонячних установок, так як найслабший елемент сонячної батареї визначає загальну продуктивність всього модуля. У теплових сонячних установках вплив часткового затемнення колектора є менш істотним, однак, все ж скорочує його продуктивність.
Існують різні види затемнення сонячних установок. Тимчасове затемнення через зелені, снігу, екскрементів птахів, пилу тощо, зазвичай усуваються завдяки самоочищення колектора або модуля (змиваються дощовою водою). Чим більше нахил установки, тим краще працює самоочищення. Проблематичним є затемнення, викликане місцем розташування, особливо тінню від димових труб, сусідніх будівель, дерев або антен. При монтажі слід звернути увагу на те, щоб на установку не падала тінь. Сама по собі маленька тінь може спричинити серйозні втрати продуктивності, так як найслабший елемент сонячної батареї задає силу струму. Якщо він затемнений, то загальна продуктивність установки помітно падає. Так тінь від антени може знизити продуктивність системи на 10-50%. При оптимальному розташуванні модуля можна скоротити втрати продуктивності, викликані затемненням. Тому перш, ніж монтувати установку, має сенс провести дослідження зон затемнення. Так само слід звернути увагу на те, що модулі повинні розташовуватися на відстані, щоб не заважати роботі один одного.
Елемент сонячної батареї.
сонячні модулі установки, що виробляє енергію, складаються з елементів сонячної батареї. Існують наступні види елементів: монокристалічні, мультикристалічні і тонкошарові. Елементи складаються з напівпровідників, найчастіше з кремнію. Вони бувають круглої або квадратної форми.
Безліч елементів складають модуль, в якому елементи сонячної батареї з'єднані таким чином, що по ним може текти постійний струм. Для цього фізичного процесу не потрібно ніякого матеріалу, тобто, елементи сонячної батареї майже виробляють струм. У монокристалічних елементах матеріал (кремній) на атомному рівні розміщується в звичайних кристалах. Ці елементи довговічні і мають високий ККД.
У мультикристалічних елементах матеріал при виготовленні складається з безлічі окремих кристалів, які виглядають як крижаний візерунок. У тонкошарових елементах тонкий шар напівпровідника наноситься безпосередньо на скло або фольгу їх високоякісної сталі. Для цього використовується зовсім мало матеріалу, таким чином, їх вартість виготовлення нижче, ніж при інших методах виготовлення. Але і ККД і термін експлуатації тонкошарових елементів нижче і менше. Як матеріал використовуються, наприклад, аморфний кремній, арсенід галію, кадмій-теллурид, мідь-індій-селенід.
Кремній (огляд).
Кремній є другим після кисню найпоширенішим елементом на землі. Шляхом хімічної очистки його добувають з кварцового піску. Очищений він використовується як в електронній промисловості, так і для виробництва елементів сонячних батарей.
У техніці, что працює на ЕНЕРГІЇ сонця, велика частина елементів проводитися на Основі монокрісталічного и полікрісталічного кремнію. такоже сонячна індустрія вікорістовує відходи Електронної промісловості. Вікорістовуваній там материал має скроню степень очищення, а для виробництва елементів Сонячної батареї навпаки Досить кремнію нізької якості. При ВИРОБНИЦТВІ елемента Сонячної батареї Готові зліткі кремнію ріжуться на пластинки. ЦІ пластинки повінні буті дуже тонкими, и в залежності від форми віхідного матеріалу нагадують облатки. Так як виробництво монокристаллической пластинки кремнію дуже дорого, то при ВИРОБНИЦТВІ у великих масштабах найчастіше вдаються до использование полікрісталічного кремнію, чий енергетичний ККД проти є нижчих. Віроблені таким чином тонкі Смуги Напівпровідників є основою для виробництва елемента Сонячної батареї. Щоб избежать можливий проблем, пов'язаних з нестача матеріалу, и пов'язаного з ЦІМ Підвищення ціни, сонячна індустрія намерен зараз Відкрити своє виробництво кремнію. В останні роки досліджується использование так званого «Брудний» кремнію. Витрати на виготовлення платівок кремнію становлять невелику частину витрат на використання кремнію високої чистоти.
Аморфний кремній.
Елементи сонячної батареї з аморфного кремнію не вимагають великих витрат при виробництві, так як воно є безвідходним. Але його ККД становить, однак, лише 6-8% десь у половини кристалічних елементів сонячної батареї.
З іншого боку, аморфні елементи використовують розсіяний сонячне світло ефективніше і вихід енергії при підвищенні температури елементів більше. Аморфний кремній не володіє кристалічною структурою (якщо порівнювати з монокристалічним або полікристалічним кремнієм). Вихідним матеріалом для виробництва фотоелемента є силан (кремневодород), який наноситься на матеріал основи (наприклад, скло або металеву фольгу). Виниклий подібним чином кремінний шар в 100 разів тонше кристалічного кремінного фотоелемента. Тому він і називається тонкошаровий.
Система установки (огляд).
Для різних варіантів установки сонячних систем на будівлях або відкритих площах існують різні фіксуючі конструкції. Важливу роль при виборі фіксує системи грає вид колектора або модуля (наприклад, обрамлений і необлямовані). Спочатку слід вирішити, чи буде сонячна система встановлена на даху або фасаді будівлі, або вона буде вмонтована в дах або фасад. При установці на дахах сонячних систем в разі, якщо дах похила, використовуються безліч кріпильних систем, які призначені спеціально для установки сонячного колектора або модуля. При цьому мова йде, наприклад, про систему рейок з алюмінію або високоякісної сталі. Для вмонтування в дах, в разі, якщо дах має нахил, існують профілі або спеціальна черепиця, до яких вже прикріплюються маленькі сонячні модулі. При цьому виді установки важливо не пошкодити саму дах. При установці модуля або колектора на плоскому даху використовуються, так само як і в разі похилого даху, металеві конструкції, бетонну основу або заповнені синтетичним матеріалом або цементом форми, які під кутом прикріплюються до покрівлі. При цьому слід звернути увагу на статистичну характеристику плоского даху. Система рейок кріпиться або на дах, щоб протистояти силі вітру, або бетонними плитками (якщо конструкція металева), або утяжеляется гравієм (в разі використання форм), але не прилягає безпосередньо до покрівлі. Дах повинна витримати таке навантаження. При вмонтування сонячних елементів в дах, якщо вона плоска, використовуються спеціальні полотнища, завдяки яким можна розмотувати гнучкі елементи сонячної системи. Сонячні системи при установці на фасади будівель розрізняються за своїми функціями. Вони можуть розміщуватися перед фасадом, в цьому випадку вони служать як виробники енергії, оформлення фасаду і захист від вітру. Для цього існують спеціальні рейки і скоби. У разі якщо сонячні модулі або колектори інтегруються в фасад будівлі, то вони беруть на себе додаткову функцію в якості чохла для будівлі.
Монтаж на фасад
Інтегрування сонячних систем в фасад використовується перш за все якщо це велике офісна будівля, або великий багатоквартирний будинок. Деякі виробники сонячних модулів пропонують зроблені спеціально на замовлення світлопроникні модулі, однак, вони досить дорого коштують. При використання цього методу розрізняються холодний і теплий фасади. Якщо фасад холодний, сонячні модулі або колектори встановлюються адитивно, тобто, додатково перед фасадом і служать як виробники енергії, оздоблення фасаду та захист від вітру. Якщо фасад теплий, то сонячна система бере на себе додаткову функцію в якості чохла для будівлі. Існують спеціальні модулі з ізоляційного скла, які також володіють звукоглушітельним якістю.
Планування сонячних систем за допомогою комп'ютера.
Сонячні системи дуже часто створюються за допомогою симулюють програм. Ці комп'ютерні програми дають відомості про розмір всієї установки і її окремих компонентів, про її ефективності та економічності.
При конструюванні і додаткового аналізу ці програми можуть зіграти важливу роль. У той час як при конструюванні стандартних систем використовуються звичайні комп'ютерні програми, то в разі пошуку помилок в розрахунках або при плануванні або конструюванні індивідуальних систем використовуються спеціальні програми - симулятори. При цьому дані програми використовуються в різних сферах, починаючи з планування великих сонячних систем, систем підтримки опалення, повітряних колекторів до установок для басейнів і навіть сонячних електростанцій. З їх допомогою також можна розрахувати вплив затемнення.
Більшість виробників елементів сонячних систем мають в своєму розпорядженні комп'ютерні програми, які налаштовані на їх продукцію. Існують також виробники незалежних програм - симуляторів. Перевага симуляторів полягає в тому, що покупець отримує сонячну систему, відповідну його потребам, і може розрахувати оптимальне поєднання ціни та користі.
Як сонячна система встановлюється на дах?
При установці сонячної системи на даху сонячний колектор або модуль монтується за допомогою спеціальних комплектів для монтажу в 5-15см від покрівлі. Комплекти для монтажу робляться здебільшого з оцинкованого заліза, алюмінію і високоякісної сталі. Монтажні рейки чіпляють за крокви. Особливо легко встановлювати системи, де колектори і модулі вставлені безпосередньо в рейки. Цей метод не потребує додаткових з'єднань. При установці сонячної системи на будівлю з похилим дахом монтаж на даху дешевше, ніж вбудовування сонячної системи в дах, так як черепиця буде проламали лише в кількох місцях, що не завдасть шкоди герметичності даху. Але вбудовування модулів і колекторів в дах є оптично симпатичним варіантом, так як на даху не буде ніяких додаткових конструкцій.
«Острівна» сонячна система.
«Острівне» сонячними системами називаються системи, які не пов'язані із загальною електромережею, і які зберігають в акумуляторах електрику, вироблену сонячною установкою. Електрика, вироблене за допомогою сонячної системи, зберігається або у вигляді постійного струму, або за допомогою інвертора перетворюється на змінний струм. Ця система застосовується в тих випадках, коли немає доступу до електрики, відповідно, коли підключення до загальної системи буде коштувати стільки ж або дорожче, ніж використання «острівної» сонячної системи, як, наприклад, електрику для альтанки або окремого будинку (хатина пастуха) . «Острівне» системами також вважаються системи освітлення доріг, будівельних майданчиків, лічильники часу на платних стоянках, кишенькові калькулятори, якщо вони працюють на Сонячної ЕНЕРГІЇ . В малозаселених країнах, що розвиваються «острівні» сонячні системи часто є єдиною можливістю провести електрику в закуткові села (так звані «сільські домашні системи). При зберіганні електрики, отриманого з сонячної енергії, втрачається від 10% до 30% виробленої енергії. «Острівні» сонячні системи повинні відповідати поставленим вимогам, так як розширення цих систем, як раз в області збереження енергії, як правило проблематично.
Постійний струм.
Постійним струмом називається електричний струм, який постійно тече в одному напрямку. На відміну від змінного струму, постійний струм зображується графічно як пряма лінія, а не як синус (дивись малюнок). електрика 
тече від плюса до мінуса (технічний напрямок струму).
Сонячні установки виробляють постійний струм, який потім перетворюється за допомогою інвертора в змінний струм і подається в загальну електромережу. Проводка для постійного струму має більший діаметр, ніж для змінного струму. Якщо сонячна система встановлена, то її вже важко перенести, і це спричиняє додаткові витрати. Тому проводку для постійного струму роблять на скільки це можливо коротше. Саме тому в сонячній системі інвертор розташовують поряд з модулем. Постійний струм використовується здебільшого в приладах з невеликою потужністю, наприклад, в кишенькових ліхтарях або автомобільних акумуляторних батареях.
Інвертор.
Вироблений сонячними модулями струм перетвориться за допомогою інвертора з постійного на змінний. Інвертор є сполучною ланкою між модулями, які виробляють постійний струм, і загальної електромережею. Крім того, цей прилад зберігає експлуатаційні параметри і стежить за підключенням до мережі сонячних систем. Розмір інвертора залежить від потужності сонячної установки. Також інвертори відрізняються за методом установки.
Модульні інвертори прикріплюються до модуля, що проводить сонячна електрика, і безпосередньо в ньому і перетворять постійний струм в змінний. Це забезпечить роботу модулів на максимальній потужності. Якщо кілька модулів з'єднане між собою (паралельно або в ряд), то найслабший модуль визначає загальну потужність установки. Використання модульних інверторів переважно тоді, коли окремі модулі протягом дня знаходяться в тіні або потужність постійного струму повинна накопичуватися. Якщо кілька сонячних систем пов'язано в лінію і струм подається в інвертор від всієї системи, то цей інвертор називається лінійним. Мінусом цього методу є те, що проводка постійного струму, що зв'язує модуль і інвертор, досить довга. Проводка для постійного струму через величини діаметра жорстка і тому її дуже важко прокладати. До того ж, в порівнянні з проводкою для змінного струму проводка для постійного струму коштує дорожче.
Сонячне електрику.
При генеруванні сонячного струму сонячне випромінювання перетвориться за допомогою сонячних модулів в електричну енергію. Цей вид виробництва енергії називається фотоелектрика . Сонячний модуль складається з безлічі елементів. Ці елементи виробляють постійний струм з сонячного світла. Постійний струм можна використовувати, наприклад, для зарядки батарей (акумуляторів) і, таким чином, зберігати струм. У цьому випадку мова йде про так звану «острівної» установці. Однак можна перетворити постійний струм в змінний і підключитися до загальної електромережі.