Коллектор на солнечных батареях в оконных стеклах

Принцип действия оконного солнечного коллектора

Оконный солнечный коллектор, или гелиосистема, обладает способностью аккумулировать энергию солнца для нагрева воды, циркулирующей по внутреннему трубопроводу. Нагретая вода постепенно остывает, отдавая тепло в окружающую атмосферу. В результате температура воздуха в помещении становится выше. А счетчик электроэнергии продолжает работать в штатном режиме, т.к. к нему не подключены энергоемкие обогреватели.

Простейший солнечный коллектор представляет собой черные пластины в стеклянном или пластиковом корпусе. Благодаря способности черного цвета поглощать большой процент лучей пластины быстро нагреваются и одновременно передают часть полученного тепла воде в теплообменнике. Последняя попадает в накопительный резервуар, где постепенно остывает и опускается вниз, освобождая место для очередной порции нагретой воды из теплообменника. В солнечные дни температура воды может легко достигать 70oС. Этого более чем достаточно, чтобы «помочь» централизованному отоплению прогреть помещение, не тратя на это ни копейки.

В зависимости от типа конструкции различают:

• Плоские модели, в которых сочетается низкая стоимость и сравнительно невысокий КПД из-за потерь тепла. В роли поглотителя солнечной энергии здесь выступает окрашенный в черный цвет металлический лист. В качестве теплоносителя используется смесь воды и гликоля. Переданное водяной смеси тепло поступает в солнечный аккумулятор, после чего постепенно выделяется в окружающий воздух и нагревает его.
• Вакуумные модели. Их отличительная особенность – вакуум внутри трубок с поглотителем тепла. Нулевая пропускная способность вакуумной среды снижает теплопотери до минимума, и устройство демонстрирует высокую эффективность работы.
• Концентрационные коллекторы – модели с неподвижной конструкцией. Благодаря встроенным цилиндрическим отражателям солнечные лучи собираются и концентрируются, после чего направляются прямо на солнечную панель. Такие модели чаще применяются в промышленных целях, где от количества полученной энергии зависит производительность работы. Благодаря сложному техническому устройству их стоимость сравнительно высока, но все расходы полностью оправданы возможностью получить бесплатную тепловую энергию в промышленных объемах.
• Воздушные модели. Роль теплоносителя здесь играет воздух, который проходит через нагретый поглотитель благодаря эффекту естественной конвекции или нагнетается за счет работы вентилятора. Последний вариант менее эффективен, т.к. часть полученной энергии расходуется на работу вентиляционного узла.

Как делают окна будущего

Технология, которая получила мощную поддержку на государственном уровне, действительно уникальна. Сделать из окна электрогенератор можно двумя способами: до и после установки стеклопакетов. В обоих случаях на стекло наносится специальный жидкий состав, который должен высохнуть под действием низкой температуры. Рецептура покрытия включает водород, азот, кислород и углеродный материал, который и дает впоследствии эффект «тени». Пленка многослойна, и только один слой активен: именно в нем происходит сбор энергии. При участии прозрачных полупроводников, энергия направляется к оконному профилю, где установлено генерирующее устройство, откуда электричество распределяется по сети всего дома. Технология впечатляет своей эффективностью, и ее несомненное преимущество в готовности стать массовой.

Альтернативы пленкам есть: окна с квантовыми точками

Между тем, Solar Window не единственная компания, которая преуспела в создании инноваций, позволяющих использовать пространство окна для пополнения и умножения солнечной энергии. Группа американских инженеров из лаборатории в г. Лос-Амос смогла добиться того, чтобы солнечные панели были встроены непосредственно в окно без ущерба для его светопрозрачности.
Стекло превращается  в солнечную батарею с помощью «вживленных»  в него квантовых точек. Их называют ЛСК — люминесцентные солнечные концентраторы. ЛСК собирают энергию солнца как цветок и направляют свет с больших площадей на микроэлементы. Особенностью ЛСК является то, что ими можно управлять. Например, можно настроить пучок таких точек на сбор света с фиксированной длиной волны и игнорирование всех других волн. Состоят такие квантовые точки из полупроводников и поливинилпирролидона.
Преимущество технологии в долговечности продукта и его устойчивости к различным атмосферным явления. Кроме этого, квантовые точки хорошо интегрируются не только на стекло стандартных размеров, но и в огромные фасадные панели из стекла и полностью исключает необходимость использования дорогих фотоэлектрических материалов. До внедрения в массовое производство инновации не хватает хороших показателей по КПД: 6%. Пока эта цифра остается на отметке 1,9%. При хороших результатах новинка обещает сделать нулевым потребление энергии в городах. Скажем, 12 000 панелей в окнах Всемирного делового центра обеспечат электричеством 350 жилых помещений.

Плюсы и минусы солнечных окон

Среди несомненных плюсов новинки — низкая себестоимость, экономия при использовании. По расчетам солнечные окна обладают быстрой окупаемостью –один год, чтобы возместить затраченные на производство и оборудование средства. Инновация в несколько раз эффективнее, нежели устанавливаемые на крышах солнечные модули.
Основным минусом продукта остается то, что пока технологам не удалось получить 100% прозрачности покрытия, наносимого на поверхность стекла. Максимум, которого удалось достичь, — это 80% прозрачности готового стекла. Если сравнивать эти показатели с  обычным энергосберегающим стеклом, то они равны. Таким образом, окна получают эффект затенения, что, скорее всего хорошо для регионов с большим количеством солнечных дней.

Крыша дома моего – это электрогенератор!

Проблемы экологии волнуют и одного из ведущих инновационных мировых производителей Tesla под руководством технического гения Илона Маска. В 2017 году изобретатель представил общественности энергогенерирующую черепицу для крыш и уже сумел распродать все партии до конца 2018 года! В планы Маска входит не просто создание прибыльной ноу-хау: его цель – создание «устойчивой энергосберегающей системы». В рамках этого плана инженер-гуру запустил линию энергогенерирующих экомобилей и черепичных энергогенерирующих покрытий. — Вместо того чтобы тратить энергию, ваш дом и ваша машина должны их производить! — гласит девиз Маска. Успех новинки в немалой степень обеспечил и обещанный Маском ценовой лимит: квадратный метр новой крыши стоит не более 265 долларов, что сопоставимо со стоимостью черепичной крыши. Если прибавить к этому экономию при электропотреблении и прибыль при ее самовоспроизводстве, то приобретение выгодное.

Выгода оконных солнечных коллекторов

Благодаря сравнительно простой конструкции солнечные коллекторы могут проработать 20-30 лет. Недорогие модели азиатского производства вряд ли порадуют таким сроком службы, зато продукция из Европы способна «перескочить» указанные границы за счет надежности и качества сборки.

Рассчитать мощность коллектора несложно. Она равна произведению площади поглощения, уровня солнечной инсоляции в вашем регионе и заявленного КПД устройства. Так, в столице, где уровень инсоляции составляет 1173,7 для модели площадью поглощения около 1 кв.м и КПД около 65% рабочая мощность составит 760 кВт*час/кв.м за год, или 2,08 кВт*час/кв.м. При этом для обеспечения горячей водой одного человека в день требуется около 2-3 кВт тепла. Таким образом, коллектор будет давать ощутимую часть требуемой тепловой энергии, причем совершенно бесплатно.