Отопление частного дома солнечными батареями: схемы и устройство

Причины популярности альтернативных источников энергии вполне объяснимы: существует возможность сэкономить на топливе и воплотить в жизнь мечты об экологически чистых системах жизнеобеспечения. Умело используя энергию солнца, ветра и воды, можно обыкновенный дачный домик превратить в современный экодом. Попробуем разобраться, реально ли в частном доме оборудовать отопление на солнечных батареях и насколько это выгодно.

Содержание статьи:

• Способы использования солнечной энергии
• Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы
• Подходят ли солнечные батареи для отопления
  • Как работают панели с фотоэлементами
  • Эффективность использования фотоэлементов
  • Схема установки домашней электростанции
• Коллекторная система отопления
  • Плоский вариант для самостоятельного изготовления
  • Трубчатые коллекторы – решение для северных регионов
• Как увеличить производительность
• Видео об использовании солнечных батарей

Способы использования солнечной энергии

Методы применения энергии небесного светила не относятся к инновационным технологиям, солнечное тепло используют давно и весьма успешно. Однако это касается, в основном, Австралии, некоторых стран Европы, Америки и южных регионов, где альтернативную энергию можно получать в течение всего года.

Некоторые северные области испытывают дефицит естественного излучения, поэтому его применяют в качестве дополнительного или запасного варианта.

Считать, что абсолютно все северные регионы получают намного меньше естественного тепла, чем южные, ошибочно. Предположим, на Чукотке или в центральной Канаде солнечных дней намного больше, чем в расположенной южнее Великобритании

Посредниками между солнечными лучами и образующим энергию механизмом являются солнечные батареи или коллекторы, которые отличаются и назначением, и конструкцией.

Батареи аккумулируют энергию солнца и позволяют использовать ее для питания бытовых электрических приборов. Они представляют собой панели с фотоэлементами с одной стороны и фиксирующим механизмом с другой. Можно поэкспериментировать и собрать батарею самостоятельно, но проще купить готовые элементы – выбор достаточно широк.

Гелиосистемы (солнечные коллекторы) являются частью отопительной системы дома. Большие теплоизолированные короба с теплоносителем, как и батареи, крепят на приподнятых щитах, обращенных к солнцу, или скатах крыши.

Для повышения эффективности панели помещают на динамические механизмы, напоминающие систему слежения – они поворачиваются вслед за движением солнца. Процесс преобразования энергии происходит в трубках, расположенных внутри коробов.

Схема устройства отопительной системы с солнечным коллектором, подключенным к бойлеру, и запасным источником электроэнергии (например, газовым котлом), работающем на традиционном топливе (+)

Главное отличие гелиосистем от солнечных батарей в том, что первые нагревают теплоноситель, а вторые аккумулируют электроэнергию. Есть возможность обогревать помещение и с помощью фотоэлементов, но схемы устройства нерациональны и пригодны только для тех для районов, где солнечных дней в году не менее 200.

Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы

Достоинств у солнечной системы обогрева не так много, но каждое из них весомо и может стать причиной для частных экспериментов:

• Экологические достоинства. Это безопасный для жильцов дома и окружающей природы, чистый источник тепла, не требующий применения традиционных видов топлива.
• Автономность. Владельцы систем абсолютно не зависят от цен на энергоносители и от экономической обстановки в стране.
• Экономичность. При сохранении традиционной отопительной системы появляется возможность снизить затраты на оплату горячего водоснабжения.
• Общедоступность. Для установки солнечных систем не нужно разрешения из государственных инстанций.

Но существует и неприятные моменты, способные испортить общую картину. Например, для определения эффективности работы системы потребуется продолжительный период – не менее 3 лет (при условии, что солнечной энергии достаточно и она используется активно).

Установка только солнечных модулей потребует больших вложений: самые дешевые кремниевые панели обойдутся не менее 2200 руб. за штуку, а поликристаллические шестидиодные элементы первой категории – до 17000 за штуку. Подсчитать стоимость 30 модулей довольно просто (+)

Пользователи отмечают следующие недостатки:

• высокие цены на оборудование, необходимое для запуска системы в эксплуатацию;
• прямая зависимость количества произведенного тепла от географического положения и погоды;
• обязательное наличие резервного источника, например, газового котла (на практике зачастую резервной оказывается гелиосистема).

Чтобы добиться большей отдачи, приходится регулярно следить за исправностью коллекторов, очищать их от мусора и беречь от образования наледи в заморозки. Если температура часто опускается ниже отметки 0?С, нужно позаботиться о дополнительной теплоизоляции не только элементов гелиосистемы, но и дома в целом.

Подходят ли солнечные батареи для отопления

Главное назначение фотоэлементов, аккумулирующих энергию, состоит в обеспечении дома электричеством. Чтобы включить их в схему устройства отопительной системы и добиться оптимального функционирования, необходимо собрать цепь с накопительным баком. Именно в нем будет происходить нагрев воды, которая, достигнув определенной температуры, заполнит трубы и радиаторы в требующих обогрева помещениях (гостиной, ванной).

Система, работающая от солнечной энергии, с двухконтурным баком, организующим нагрев и подачу горячей воды в двух направлениях: в отопительные радиаторы и к точкам разбора (+)

Попробуем разобрать конструктивные особенности солнечных батарей и определить их потенциальную роль в системе обогрева.

Как работают панели с фотоэлементами

Существует три распространенных вида элементов для устройства солнечных батарей:

• Монокристаллические. Это тонкие пластины наиболее чистого кремния, нарезанные из выращенного в искусственных условиях кристалла. Самая производительная разновидность с КПД около 17-18 %. Оптимальная температура для эксплуатации – от 5 ?С до 25 ?С.

• Поликристаллические. Изготовлены из пластин, полученных при постепенном охлаждении кремниевого расплава. Технологиях их производства менее трудоемкая, но и КПД фотоэлектрических элементов из поликристалла существенно ниже — не более 12 %.

• Аморфные. Они же пленочные. Изготовлены методом испарительной фазы, в результате которого кремний в виде тонкой пленки оседает на полимерной гибкой основе. Самый дешевый производственный способ сочетается с намой низкой производительностью, исчисляемой до 7 %.

Для установки автономных отопительных систем в северных регионах наиболее подходящим вариантом считают фотоэлектрические батареи, собранные из монокристаллических элементов. Однако батареи с аморфными модулями проще в установке, практически не требовательны к основанию и гораздо дешевле.

Монокристаллический модуль состоит из последовательно подключенных элементов, объединенных в модули. Несколько модулей формируют солнечную батарею. Темная поверхность фотоэлектрических гелиосистем оптимизирует поглощение солнечных лучей

Задача внешних элементов – поглощать и преобразовывать солнечные лучи. Высвобожденная энергия поступает дальше и концентрируется в аккумулирующем накопителе. Небольшой элемент дает около 100-250 Вт, а сборная панель площадью 25-30 м? обеспечивает электричеством небольшой домик. Для устройства системы обогрева потребуется энергии в 2-3 раза больше.

В роли преобразователя постоянного тока солнечного «производства» в электричество выступает инвертор, так как для работы бытовых электроприборов и светильников необходим переменный ток. Если говорить конкретно об отопительной системе, то электрический котел для нагрева воды также работает на переменном токе. Для обеспечения жилища светом ночью потребуются аккумуляторы, сохраняющие дневные запасы.

Инверторные модули устанавливают в удобном для обслуживания месте, хотя он не нуждается в постоянном управлении и действует в автоматическом режиме

Эффективность использования фотоэлементов

Проще всего приобрести солнечные коллекторы и применить одну из простых, проверенных годами схем. Однако обстоятельства порой диктуют свои условия. Предположим, у вас есть отличная функционирующая рабочая система с солнечным генератором, но пока она служит для подачи электричества и обеспечения дома горячей водой.

Понятно, что покупать новое оборудование невыгодно, поэтому легче увеличить мощности, прикупив некоторое количество фотоэлектрических преобразователей. Бюджетный вариант – кремниевые панели с производительностью до 23-25%. К источнику тока необходимо подключить отопительный прибор, работающий на электричестве. Универсальный вариант – котел, оснащенный распределительной разводкой.

Полимерные пленочные элементы на российском рынке встречаются гораздо реже, чем кремниевые моно- и поликристаллические аналоги. Они удобны для монтажа, но обладают низким КПД – всего 6 %

Если правильно организовать подачу электроэнергии, ее должно хватить и для горячего водоснабжения, и для отопления. Существуют примеры, когда дом полностью обеспечен теплом – его можно узнать по крыше, практически полностью покрытой панелями. Иногда требуется возведение специальных отдельно стоящих конструкций, если площади кровли не хватает. Получается, что для увеличения мощности необходима дополнительная свободная площадь.

Даже самые тщательные подсчеты не помогут вам определить точное количество потенциальной энергии и оперативно создать эффективную, отлаженную систему. Дело в том, что на практике возникают препятствия, появление которых предугадать достаточно сложно. Вот некоторые из факторов:

• Непостоянство погоды. Четкое количество солнечных дней неизвестно даже в южных областях. Достоверно предсказать их число в северных районах практически невозможно.
• Нерегулярность получения электричества. Например, в северных регионах зимой короткий световой день, поэтому много переработанной солнечной энергии уходит на освещение. К тому же интенсивность солнечного излучения в зимний период существенно уменьшается.
• Периодические поломки. Как и все технические системы солнечные панели могут время от времени выходить из строя из-за повреждения отдельных элементов, контрактных соединений, защитной поверхности и т.д.

Следовательно, об эффективности вы можете узнать лишь через определенный промежуток времени, минимум – через год. Возможно, придется увеличить количество фотоэлементов или аккумуляторов, продумать дополнительную теплоизоляцию дома, уменьшить отапливаемую территорию. Предположим, в северных районах Германии в целях экономии спальни часто не отапливаются вообще.

Обслуживание установленных фотоэлементов не требует специальных умений и заключается в регулярной чистке: уборке снега зимой и мусора в теплый период, промывании стеклянной поверхности водой из шланга

Схема установки домашней электростанции

Самый простой способ установки солнечного генератора – обращение в компанию, реализующую системные компоненты и предлагающую услуги по их монтажу. Плюсы – профессиональный проект с учетом индивидуальных особенностей, гарантия на всю продукцию и установку, минус – высокая стоимость. Если вы имеете соответствующий опыт, можете самостоятельно собрать мини-электростанцию с солнечными батареями для отопления частного дома.

Наиболее эффективной считается гибридная схема устройства воздушно-солнечной системы, в которой задействованы фотоэлементы для получения энергии, коллекторы для нагревания воды и дополнительно установлен ветрогенератор (его можно заменить резервным топливным источником)

Все детали для сборки системы отопления продаются в специализированных магазинах. Необходимо приобрести следующие компоненты:

• комплект кремниевых или пленочных солнечных модулей;
• аккумуляторную батарею, накапливающую энергию;
• контроллер заряда, регулирующий процесс зарядки-разрядки аккумулятора;
• инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;
• набор соединяющих кабелей.

Желательно, чтобы аккумуляторы были одинаковыми (с учетом марки, емкости и даже партии) и имели возможность хранить энергию на протяжении 3-4 дней. Продолжительность их работы зависит от температуры помещения – в холодных условиях они быстро разряжаются. Если суточное потребление равно 2400 Вт-ч, необходимы батареи общей емкостью не менее 1000 А-ч.

При использовании автомобильных аккумуляторов помните, что их максимальная эффективность – 70-75 % (срок службы – 3 года), специальные устройства для солнечных систем имеют лучшие показатели – до 85% (срок службы – 10 лет). Некоторое количество энергии теряется в процессе хранения и преобразования

Качество тока, вырабатываемого синусоидальными инверторами для солнечных систем, выше показателей тока из централизованной сети. Особенность оборудования состоит в синхронизации фазы напряжения, при которой переход 12 В в 220 В осуществляется без перерыва в функционировании бытовых электрических приборов.

Мощность инверторов – от 250 Вт до 6000 Вт и выше. Увеличить мощность на выходе можно пустеем параллельного подключения нескольких приборов (например, 3 х 3000 Вт = 9000 Вт)

После монтажа всех элементов солнечной системы необходимо к инвертору подключить электрический бак, нагревающий воду, а к баку, в свою очередь, трубопровод отопления.

Коллекторная система отопления

Наибольшей эффективности и отдачи можно добиться, установив вместо солнечных модулей коллекторы – наружные установки, в которых под действием солнечного излучения происходит нагрев воды. Такая система является более логичной и естественной, так как не потребует нагревания теплоносителя другими устройствами. Рассмотрим конструкцию и принцип действия приборов двух основных видов: плоских и трубчатых.

Плоский вариант для самостоятельного изготовления

Конструкция плоских установок настолько проста, что опытные мастера-умельцы собирают кустарные аналоги своими руками, часть деталей купив в специализированном магазине, часть соорудив из подручного материала.

Внутри стального или алюминиевого утепленного короба закреплена пластина, адсорбирующая солнечное тепло. Чаще всего она покрыта слоем черного хрома. Сверху теплопоглотитель защищен герметичной прозрачной крышкой. Нагревание воды происходит в трубках, уложенных змейкой и соединенных с пластиной. Вода или антифриз поступает внутрь короба через впускной патрубок, нагревается в трубках и перемещается на выход – к выпускному патрубку.

Светопропускная способность крышки объясняется использованием прозрачного материала – прочного закаленного стекла или пластика (например, поликарбоната). Чтобы солнечные лучи не отражались, стеклянную или пластиковую поверхность матируют (+)

Существует два вида подключения, однотрубное и двухтрубное, принципиальной разницы в выборе нет. Но существует большая разница в том, каким способом теплоноситель будет подаваться к коллекторам – самотечным или с помощью насоса. Первый вариант признан неэффективным из-за слабой скорости передвижения воды, по принципу нагрева он напоминает емкость для летнего душа.

Функционирование второго варианта происходит благодаря подключению циркуляционного насоса, который подает теплоноситель в принудительном порядке. Источником энергии для работы насосного оборудования может стать энергосистема на солнечных батареях.

Температура теплоносителя при нагреве солнечным коллектором достигает 45-60 ?С, на выходе максимальный показатель – 35-40 ?С. Для повышения эффективности работы отопительной системы наряду с радиаторами используют «теплые полы»

Трубчатые коллекторы – решение для северных регионов

Общий принцип работы напоминает функционирование плоских аналогов, но с одной разницей – теплообменные трубки с теплоносителем находятся внутри стеклянных колб. Сами трубки бывают перьевыми, запаянными с одной стороны и внешним видом напоминающие перья, и коаксиальными (вакуумными), вставленными друг в друга и запаянными с обеих сторон.

Теплообменники также бывают разными:

• система преобразования солнечной энергии в тепловую Heat-pipe;
• обычная трубка для перемещения теплоносителя U-type.

Второй вид теплообменников признан более эффективным, но недостаточно популярным из-за стоимости ремонта: при выходе из строя одной трубки придется производить замену всей секции. Трубка Heat-pipe не является частью целого сегмента, поэтому поменять ее можно за 2-3 минуты. Вышедшие из строя коаксиальные элементы ремонтируют, просто сняв заглушку и заменив поврежденный канал.

Схема, объясняющая цикличность нагревательного процесса внутри вакуумных трубок: холодная жидкость под воздействием солнечного тепла нагревается и испаряется, уступая место следующей порции холодного теплоносителя (+)

Проанализировав технические характеристики коллекторов разного типа и обобщив опыт их использования, решили, что для южных областей больше подходят плоские коллекторы, а для северных – трубчатые. Особенно хорошо зарекомендовали себя в условиях сурового климата установки с системой Heat-pipe. Они обладают нагревательной способностью даже в пасмурные дни и ночью, «питаясь» минимальным количеством солнечного света.

Образец стандартной схемы подключения солнечных коллекторов к бойлерному оборудованию: насосная станция обеспечивает циркуляцию воды, контроллер регулирует процесс нагревания

Как увеличить производительность

Обычно, поэкспериментировав с небольшим количеством солнечных модулей, владельцы частных домов идут дальше и совершенствуют систему различными способами.

Самый простой способ – это увеличение количества задействованных модулей, соответственно, привлечение дополнительных площадей для их размещения и покупка более мощного сопутствующего оборудования

Что делать, если существует дефицит свободной площади? Вот несколько рекомендаций для повышения эффективности солнечной станции (с фотоэлементами или коллекторами):

• Изменение ориентации модулей. Перемещение элементов относительно положения солнца. Проще говоря, установка основной части панелей на южной стороне. При длинном световом дне также оптимально задействовать поверхности, выходящие на восток и запад.

• Регулировка угла наклона. Производитель обычно указывает, какой угол является наиболее предпочтительным (например, 45?), но порой при монтаже приходится вносить свои коррективы с учетом географической широты.

• Правильный выбор места установки. Крыша подходит, потому что чаще всего является наивысшей плоскостью и не затеняется другими объектами (предположим, садовыми деревьями). Но существуют еще более подходящие площади – поворотные устройства слежения за солнцем.

При перпендикулярном расположении элементов к лучам солнца система работает более эффективно, однако на стабильно закрепленной поверхности (например, крыше) это возможно лишь на короткий промежуток времени. Чтобы его увеличить, придумали практичные устройства слежения.

Механизмы слежения – это динамические платформы, которые своей плоскостью поворачиваются вслед за солнцем. Благодаря им производительность генератора увеличивается летом примерно на 35-40%, зимой – на 10-12 %

Большим минусом устройств слежения является их высокая стоимость. В некоторых случаях она не окупается, поэтому нет смысла вкладываться в бесполезные механизмы. Подсчитано, что 8 панелей – минимальное количество, при котором затраты со временем оправдают себя. Можно задействовать и 3-4 модуля, но при одном условии: если они напрямую, в обход аккумуляторов, подключены к водяному насосу.

Буквально на днях компания Тесла Моторс объявила о создании нового типа крыши – с интегрированными солнечными батареями. Илон Маск заявил, что модифицированная крыша будет дешевле, чем обычная кровля с установленными на нее коллекторами или модулями.

Видео об использовании солнечных батарей

Тематические видеоролики помогут вам лучше представить устройство домашних солнечных станций и раскроют некоторые секреты монтажа оборудования.

Доступно изложенная техническая информация о солнечных батареях и контроллерах заряда:

Полезный опыт использования солнечных батарей в Подмосковье:

Схема и практическое использование СЭС с двумя полями:

Пример успешно работающей солнечной станции, полностью собранной самостоятельно, обеспечивающей и ГВС, и отопление дома:

Как видите, отопительная система на солнечных батареях – вполне реальное явление, которое вы можете самостоятельно воплотить в жизнь. Сфера альтернативных способов получения энергии развивается постоянно, возможно, завтра вы услышите о новом открытии.