Отопление и водоснабжение частного дома от солнечных батарей
Принцип работы солнечных коллекторов является относительно простым.
Первым элементом, «захватывающим» солнечные лучи является коллектор, а если точнее, то установленный в нем абсорбер.
Устройство поглощает излучение и преобразует его в тепло. Производительность системы зависит, главным образом, от типа абсорбера.
Часто используются батареи, оборудованные следующими типами поглотителей или абсорберов:
- Нормальный – мы его узнаем по характерному черному цвету. Этот тип поглотителя является не самым эффективным и имеет не очень хорошую обратную связь. Он может поглощать до 80% солнечного света.
- Селективный – устройство гораздо лучшего качества, которое гарантирует более высокую эффективность. Эффективно принимает лучи, его эффективность может достигать 95%.
Затем абсорбер нагревает теплоноситель, протекающий через батареи или панели. Чаще всего это обычная вода, которая может быть использована с весны до поздней осени. В зимнее время теплоносителем может быть только незамерзающая жидкость, которая защищает всю систему от возможного повреждения.
Теплоноситель работает в замкнутой системе и при нагревании поступает в бак. В баке он отдает свое тепло воде. 
Охлажденный теплоноситель снова проходит через поглотитель и нагревается вновь с помощью солнечного света.
К сожалению, солнечные панели – это все еще довольно дорогая инвестиция. Стоимость системы и ее установка зависит от сложности конструкции. Минимальная стоимость коллектора для теплого сезона с баком на 100 л может составлять около 35000 руб. Круглогодичный водонагреватель с баком на 200 л будет стоить около 80000 руб. Это цена только комплекта без стоимости установки.
Более продвинутые системы с селективными поглотителями и вакуумные коллекторы могут стоить дороже. Каждое расширение функциональности системы и возможностей интеграции с другими системами водоснабжения и отопления будет влиять на увеличение затрат. Верхний предел цен сложно определить.
В предложениях магазинов мы найдем несколько различных панелей, которые отличаются по структуре, производительности, методу установки и расходам на покупку.
Наиболее часто используются:
Плоские коллекторы – на них приходится около 70% устройств, установленных в домах. Их конструкция проста, а стоимость покупки доступна.
Этот тип панелей хорошо работает при наличии сильного солнечного света, но не очень эффективен в получении рассеянных лучей. Их большим недостатком является большой расход тепла при низких температурах. Поэтому плоские панели работают лучше всего в летнее время.
Вакуумные трубчатые коллекторы – они работают по тому же принципу, что и плоские панели. Тем не менее поглотитель в них дополнительно окружен вакуумом.
Поэтому эффективность устройства не так сильно зависит от температуры наружного воздуха. Вакуумный коллектор эффективно нагревает воду, как летом, так и безоблачной зимой. Тепло поглощается абсорбером и почти полностью используется на нагрев воды. В результате, панель является более эффективной и может нагревать большее количество воды.
Вакуумные трубчатые коллекторы с тепловой трубкой – этот тип панелей, снабжен специальными трубками, заполненными жидкостью. Промежуточная жидкость находится в нижней части трубы.
В результате, солнечные панели эффективно могут справляться при работе при низких температурах и малом количестве солнечного света. К сожалению, этот тип имеет очень высокую цену. Устройства имеют хорошие отзывы, но высокая стоимость по-прежнему делает их редким видом батарей в наших домах.
Следует обратить особое внимание на установку системы, поскольку это сильно влияет на эффективность подогрева воды.
Мы можем найти панели, которые могут быть установлены:
- на крышах домов,
- в крышах,
- отдельно стоящие единицы.
Вариантов установки очень много. Тем не менее, вы должны придерживаться основного принципа, который гласит, что панели должны быть размещены в местах с высоким уровнем света. Все затененные участки противопоказаны, они снижают эффективность такого оборудования.
Установка коллекторов, как правило, осуществляется на крышах домов. Это относится ко всем видам панелей, имеющимся в продаже. Батареи могут быть установлены на существующих зданиях.
Установка солнечных панелей своими руками относительно проста. Просто установите кронштейны для панелей и подключите к ним трубы.
Установка панелей на крышах не сложная, но гораздо лучшее решение – это монтаж их в крыше.
В результате, мы уменьшим потери тепла и сделаем систему более эффективной. В крышу можно встроить только плоские коллекторы. Такое решение должно быть рассмотрено на этапе строительства, так как вмешательство в существующую кровлю будет довольно дорогим.
Интересным решением являются солнечные батареи на балконе и на земле. Этот способ установки дает большие возможности в регулировке угла наклона панелей.
Таким образом, можно оптимально адаптировать их к падающему солнечному свету. Панели солнечных батарей также поглощают лучи, отраженные от земли и от здания. Это также приводит к повышению их эффективности.
Стоит отметить, что свободно стоящие панели требуют хорошо изолированных труб с теплоносителем.
Недостаточная теплоизоляция может значительно снизить эффективность всего коллектора.
Какой способ монтажа выбрать?
Все зависит от специфики здания и близлежащих окрестностей. Решения имеют различные преимущества и недостатки, поэтому вы должны проконсультироваться о способе установки с компанией, которая будет осуществлять монтаж. Стоит помнить, что одна из самых больших проблем коллекторов – это отложение загрязняющих веществ. Даже тонкая пыль, осаждающаяся на плоские пластины коллектора, может снизить его эффективность. Поэтому очень важно обеспечить возможность регулярной очистки батарей.
На сегодняшний день это модное и экологичное решение, которое собирает хорошие отзывы. Тем не менее их приобретение и установка по-прежнему дорогостоящие. Стандартные коллекторы могут обеспечить около 60% годового спроса на горячую воду. Стоимость установки системы можно окупить через несколько лет. Через сколько именно, вы можете подсчитать самостоятельно, собрав свои счета за подогрев горячей воды за год. Эти суммы будут отличаться в зависимости от способа подогрева воды, стоимости электроснабжения, количества потребляемой воды и других факторов.
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.
Мы расскажем, как в частном доме оборудовать отопление на солнечных батареях, разберем вместе с вами, насколько это выгодно. Для того чтобы досконально осветить вопросы применения энергии дневного светила, мы подробно описали все популярные варианты, получившие практическое применение и положительные отзывы пользователей.
С учетом наших рекомендаций вы сможете соорудить эффективную гелиосистему для дачи или загородного дома. Чтобы облегчить восприятие непростого материала, информацию мы дополнили наглядными схемами, иллюстрациями и видео-руководствами.
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.
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.
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.
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).
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 0ºС, нужно позаботиться о дополнительной теплоизоляции не только элементов гелиосистемы, но и дома в целом.
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).
Попробуем разобрать конструктивные особенности солнечных батарей и определить их потенциальную роль в системе обогрева.
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 ºС до 25 ºС.
- 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.
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 м² 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.
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.
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.
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.
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.
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.
После монтажа всех элементов солнечной системы необходимо к инвертору подключить электрический бак, нагревающий воду, а к баку, в свою очередь, трубопровод 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.
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.
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.
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.
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.
Обычно, поэкспериментировав с небольшим количеством солнечных модулей, владельцы частных домов идут дальше и совершенствуют систему различными способами.
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, 45º), 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.
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.
Тематические видеоролики помогут вам лучше представить устройство домашних солнечных станций и раскроют некоторые секреты монтажа оборудования.
Видео #1. Доступно изложенная техническая информация о солнечных батареях и контроллерах заряда:
Видео #2. Полезный опыт использования солнечных батарей в Подмосковье:
Видео #3. 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.
Приглашаем активно комментировать материал. Высказать свое отношение к «зеленой энергетике», поделиться опытом в устройстве системы из солнечных батарей, сообщить только вам известные тонкости вы сможете в блоке, расположенном ниже.
01 Апр 2019 admin 12