Отопление дома от солнечных батарей

За один час на земную поверхность от Солнца поступает такое количество энергии, которое человечеству хватило бы на год. Это чистая, экологичная и бесплатная энергия. Собрать ее всю целиком и полностью невозможно, но использовать солнечные батареи или коллекторы, например, для отопления частного дома, или дачи вполне реально. Рассмотрим нюансы при монтаже солнечной электростанции и какой будет срок окупаемости установки солнечных батарей для частного дома.

Солнечное отопление

Перспективу частичного использования солнечной энергии лучше сразу закладывать при строительстве дома. Например, просто с помощью ориентации окон на южную сторону можно существенно сэкономить на отоплении. Также можно изначально заложить в проект установку фотоэлектрических элементов или коллекторов на крышу дома.

Системы потребления энергии Солнца бывают:

• Пассивные
• Активные

Пассивные способы использования солнечной энергии

Пассивные системы предназначены для прямого потребления энергии Солнца и его сохранение. Ярким примером являются солнечные дома.

Многие, наверняка, замечали, что даже в прохладный, но солнечный день, сидеть в кафе за столиком около закрытого окна с солнечной стороны довольно жарко. Это происходит потому, что инфракрасная часть спектра излучения способна проникать через стекло и нагревать поверхности. Эту способность и используют для отопления домов с ориентацией окон на южную сторону дома. Окна проектируют большой площади. Пол при этом выполняет функцию аккумулятора тепла. Он должен быть из из бетона или камня, толщиной в несколько десятков сантиметров и покрыт черным материалом, например, плиткой. Такую конструкцию пола или стены называют «термальный массив».

Чем светлее поверхность, тем больше тепла она отражает, поэтому светлые материалы для устройства термального массива не подойдут.

За световой день, инфракрасное излучение нагревает черный пол, тепло аккумулируется в каменной или бетонной массе. А после заката уже сам термальный массив выполняет функцию нагревателя, отдавая тепло в здание, поддерживая температуру в доме. В ночное время окна закрываются, чтобы избежать потерь тепла.

Теоретически выглядит всё идеально, и такие проекты даже реализуются на практике. Но для того, чтобы в таком доме было комфортно находиться, он должен быть очень грамотно спроектирован опытным архитектором. Обязательно нужно учитывать сезонность эксплуатации здания, широту, климат в месте постройки, а также грамотно рассчитать потоки тепла в доме в разное время суток. Солнечный дом позволит значительно сэкономить на обогреве здания, но требует больших капитальных вложений на этапе проектирования.

Активные способы использования солнечной энергии

Активные системы преобразуют энергию Солнца, а затем передают её. Функционально их делят на фотоэлектрические элементы и солнечные коллекторы.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество из энергии Солнца, которое потом может использоваться как для отопления и горячего водоснабжения, так и для электроснабжения жителей дома.

Солнечные коллекторы нагревают теплоноситель, который потом циркулирует в системе отопления дома, или нагревает воду для горячего водоснабжения.

Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы

Всё это приводит к тому, что в средней полосе России только монтаж солнечных батарей на крыше не может обеспечить теплом весь дом. Приходится задействовать дополнительные площади. Зимой, когда требуется больше энергии для отопления, солнечная активность маленькая. Летом же всё с точностью до наоборот.

Однако, при применении гелиосистемы совместно с основной системой отопления, можно значительно сэкономить на счетах за газ или электричество.

Устройство и принцип работы

Солнечные коллекторы и батареи на фотоэлектрических элементах – это разные по функционалу и принципу действия системы. Разберем их подробнее.

Солнечные коллекторы

Принцип работы таких систем основан на нагревании темных предметов под воздействием солнечного излучения. Если просто представить ведро, наполненное водой в ясный жаркий день, через какое-то время температура воды значительно вырастет. Если ведро будет выкрашено черной краской, то нагревание будет происходить значительно быстрее. Если же ведро плотно накрыть сверху листом стекла, то время нагрева значительно уменьшится, так как будет наблюдаться парниковый эффект.

Типы солнечных коллекторов:

• открытые;
• трубчатые;
• плоские.

Рассмотрим их подробнее.

Открытые солнечные коллекторы

Тут действует принцип черного ведра без крышки, из примера выше. Простейшая система, которая представляет систему каналов, выкрашенных в черный цвет. Под действием излучения канал нагревается, передавая тепло воде. Защиты от атмосферных воздействий нет, и в зависимости от ветра и окружающей температуры эффективность системы может быть разной, но в любом случае она не высока.

Плоские коллекторы

Вариант ведра, которое закрыто стеклом, из примера выше. Принцип такой же, как и у открытого коллектора, но при этом сам канал закрыт прозрачным материалом. По дну канала проходит трубка, которая получает тепло и передает его теплоносителю, например, воде. Также малоэффективны, но могут применяться для летнего душа или бассейна.

Трубчатые коллекторы

В трубчатых системах идея поглощения и сохранения тепла, была доведена практически до совершенства. Устройство представляет из себя систему трубок, каждая из которых состоит из стеклянной колбы, внутри которой находится трубка со светопоглощающим покрытием. Между трубками вакуум. Таким образом, внутренняя трубка нагревается от солнечного излучения, но из-за вакуума потери тепла минимальны, потому что она находится в своеобразном термосе, из-за откачанного воздуха. Тепло передается через теплоноситель в общую систему.

Трубки соединяются параллельно и собираются в модули разного размера. Модулей может быть несколько, в зависимости от мощности отопительной системы.

Трубчатые коллекторы чаще всего имеют заводское исполнение. Вышедшие из строя трубки можно заменить. Также требуется эффективно утеплять трубопроводы, по которым передается теплоноситель, чтобы снизить потери энергии.

Солнечные батареи

В основе устройства солнечной батареи лежит свойство полупроводниковых фотоэлементов вырабатывать электрический ток под воздействием солнечных лучей. Элементы собираются в единый блок, солнечную батарею или панель. Количеством таких блоков можно легко регулировать мощность системы.

Сами фотоэлементы состоят из кремния и делятся на 3 вида:

• Монокристаллические – состоит из тонких пластин, выращенного искусственно кристалла кремния. Коэффициент полезного действия примерно 18%. Самая дорогая разновидность солнечной батареи;
• Поликристаллические – пластины получают из кремниевого расплава, который охлаждается постепенно. КПД в районе 12%. Это менее эффективная, но и менее трудоемкая технология производства;
• Аморфные – пластины состоят из испаренного кремния, который осел на подложке. КПД 5 – 7%. Панели выполненные по этой технологии отличаются хорошим светопоглощением в пасмурную погоду.

Ток солнечных батарей на фотоэлементах зависит от погоды, облачности, времени суток, степени загрязнения поверхности батареи. Помимо того они вырабатывают постоянный ток. Поэтому в комплекте к батарее в системе есть:

• инвертор;
• контроллер;
• аккумулятор

Инвертор преобразует постоянный ток в требуемое напряжение сети. Аккумулятор накапливает электроэнергию за световой день для стабильной работы в ночное время. Контроллер управляет зарядом аккумулятора, предохраняет его от перезаряда, регулирует потоки энергии от батареи между аккумулятором и потребителями.

Выбор солнечного коллектора и его монтаж

Выбор коллектора нужно осуществлять исходя из уровня солнечной активности в регионе, размера здания и площади отапливаемой поверхности. Также обязательно надо учитывать, что в разные периоды года уровень инсоляции сильно колеблется, и будут периоды, когда система будет неэффективна. Поэтому при расчете системы нужно использовать не самый низкий уровень инсоляции за год, а среднее значение.

Инсоляция – это количество энергии, поступающей от Солнца, приходящийся на 1 квадратный метр поверхности за год. Даже для разных регионов средней полосы России он разный.

Также нужно учитывать количество проживающих в доме жильцов. В среднем, на 1 человека требуется 5 кВт/час энергии в сутки.

Эффективность коллекторов разного типа зависит также от разницы температур в коллекторе и на улице.

Из графика видно, что вакуумные коллекторы наиболее эффективны, даже при большой разнице температур.

При монтаже также нужно соблюдать рад условий:

• до запуска в работу обязательно закрыть поверхность, чтобы не допустить перегрева;
• коллектор заполняется теплоносителем снизу;
• ориентация коллектора – на Юг;
• угол наклона к горизонту равен географической широте местности;
• обязательна теплоизоляция трубопроводов системы, по которым перетекает теплообменная жидкость.

Наиболее эффективны солнечные коллекторы, встроенные в контур отопления с водяным насосом. В средних широтах, для поддержания стабильной температуры в помещении, лучше комбинировать с существующей системой отопления. Даже в таком случае, экономия может составлять до 60%, но система значительно усложнится.

Схемы подключения к системе отопления

Обогрев частного дома на солнечных батареях можно организовать как с использованием фотоэлектрических батарей, так и с помощью солнечных коллекторов. В зависимости от выбора оборудования, природных условий и времени эксплуатации схемы подключения отличаются. Система может работать как автономно, так и в тандеме с существующей системой отопления.

С водяным коллектором

Различают зимние и летние варианты подключения водяного коллектора к системе отопления частного дома. В летнем варианте тепло обычно используется для горячего водоснабжения (например, на даче). Система в таком исполнении может использоваться без насоса для циркуляции жидкости. Циркуляция воды и теплообмен будут происходить за счет естественной конвекции. В качестве теплообменной жидкости чаще всего выступает вода.

Коллектор нагревает воду, которая, за счет конвекции, поступает в накопительный бак, где и происходит теплообмен. Охлажденная жидкость подается обратно на коллектор. По мере расходования горячей воды из накопительного бака, снизу в него поступает холодная вода от источника водоснабжения.

Система на естественной циркуляции сама по себе не сложная, но при этом неустойчива и требует тщательного монтажа, с соблюдением углов наклона. Бак должен быть расположен выше, чем коллектор, и для повышения эффективности, его нужно хорошо утеплить.

Если в летнюю систему добавить насос циркуляции, датчики температуры и контроллер, то система станет много эффективнее. В этом случае, датчики температуры устанавливаются на выход из коллектора и в накопительный бак. Ориентируясь на показания датчиков температуры, контроллер будет запускать или останавливать циркуляционный насос, тем самым регулируя температуру воды.

Варианты реализации отопления и горячего водоснабжения могут быть различными. Но, если систему планируется использовать зимой в средних широтах, то стабильно работать она будет только в связке с существующей системой отопления, дополняя или дублируя её. Например, можно реализовать систему теплый пол от солнечных батарей, а основную систему отопления радиаторами, сделать с помощью газовых или электрических ТЭНов. В холодные периоды температуру в доме всегда можно поддержать обычной системой отопления.

С солнечной батареей

Как и в схеме с коллектором, создать достаточно мощную систему отопления частного дома на от солнечной батареи на фотоэлектрических элементах, будет стоить очень дорого. Примерная площадь только самих батарей потребуется около 30 м2. Аккумуляторы нельзя разряжать ниже 30% уровня, что также потребует большой начальной ёмкости. Поэтому электрическую станцию на солнечных батареях можно так же монтировать в тандеме с общей сетевой. Установка даже не очень мощной и недорогой системы сэкономит затраты на электроэнергию, и компенсирует перебои напряжения.

Система состоит из:

• солнечных элементов;
• инвертора;
• аккумуляторных батарей;
• контроллера заряда.

Ток с солнечных панелей поступает на контроллер заряда, который регулирует заряд аккумуляторов, и распределяет ток между аккумуляторами и потребителем. Если от солнечных элементов поступает мало энергии, и аккумуляторы разряжены, то питание потребителей происходит от городской сети.

Инвертор преобразует постоянный ток в переменный однофазный 220 В. В некоторых системах функции инвертора и контроллера могут быть объединены в одном устройстве.

Важно соблюдать последовательность подключения при монтаже системы: сначала соединяем аккумулятор с контроллером, потом к нему подключаем солнечные батареи. Потом подключается инвертор. В последнюю очередь соединяем систему с потребителем.

Гибридные системы обладают большой устойчивостью, и экономят электроэнергию. Но их можно и разделить по тому же принципу: отдельные обогреватели в доме можно запитать от розеток, работающих на солнечных батареях, остальные — от городской системы энергоснабжения. Если вторую систему снабдить системой автоматического регулирования, то температура в доме будет поддерживаться на требуемом уровне, при этом по максимуму будут использованы возможности солнечной электростанции.

Расчет мощности системы

У солнечного коллектора и электростанции принципы действия сильно отличаются. Если первая система нагревает теплоноситель, то вторая предназначена для получения электроэнергии. Рассмотрим каждый из этих расчетов.

Расчет мощности солнечного коллектора для частного дома.

При расчете мощности солнечного коллектора для частного дома необходимо использовать показатель инсоляции – сколько солнечной энергии попадает на 1 м2 площади в год. Для каждого региона он свой. К примеру, для Москвы – 1020 кВт*ч/м2, для Владивостока 1289 кВт*ч/м2. Если для расчетов брать инсоляцию в самый холодный месяц года, то система летом будет сильно перегреваться. Возникнут потери антифриза, потеряют свойства уплотнения, и система может выйти из строя. Поэтому применение системы обогрева, основанной только на солнечном коллекторе, не будет эффективной.

Оптимально соединить стандартную систему отопления, и солнечную, это поможет сократить затраты на электроэнергию до 45% за год, в зависимости от региона.

Также, в расчетах применяется апертура – эффективная площадь поглощения инфракрасного излучения под прямым углом. Рассчитывается она просто – длина трубки умножается на её диаметр, в метрах.

А(апертура) = L(длина трубки)*D(диаметр)

Приведем пример. Одна трубка длиной 1,6 м, и диаметром 58 мм. Апертура будет составлять:

А = 1,6 * 0,058 = 0,0928 м2

Возьмём среднегодовую инсоляцию для Москвы – 101 кВт*ч/м2, и зная эффективную площадь трубки, посчитаем, сколько энергии она может получить от Солнца в год, в этом регионе

W = 0.0928 * 1020 = 94.656 кВт*ч

При этом, примерный КПД трубки 80%, следовательно, показатель уменьшится, и станет равным 75,72 кВт*ч. В день:

W = 75.72 / 365 = 0.207 кВт/день

Данный расчет приблизительный, так как вырабатываемая мощность также зависит от климатических условий, угла наклона, особенностей монтажа коллектора, потерь тепла в трубопроводах.

Зимой уровень солнечной активности низок, а энергии на отопление требуется больше. Летом обратная ситуация. При использовании гибридной системы отопления, потребуется меньше затрат на покупку мощной гелиосистемы, но при этом жители дома не рискуют остаться без тепла, и система останется устойчивой в любое время года. Для отопления рекомендуется закладывать пропорцию: 30% мощности – солнечное отопление, 70% — стандартное отопление, газом или электричеством.

Допустим, для отопления дома требуется 5кВт/день. Посчитаем количество трубок в коллекторе:

С = 5000/207 = 24 шт

То есть для отопления дома, потребуется примерно коллектор из 24 трубок, эффективной длины 1,6 м, диаметром 58 мм. Расчеты примерны, и для каждого отдельного дома, производителя оборудования, климатической зоны, цифры будут разниться.

Отопление с помощью солнечных батарей – расчет требуемой мощности СЭС в зависимости от региона

Установка солнечных батарей только для отопления частного дома не имеет особого смысла, так как это потребует большой мощности станции. Например, для средней полосы России, для отопления одноэтажного частного дома площадью 90 м2, толщиной стен в 2,5 кирпича и площадью окон 20 м2, потребуется электрокотёл мощностью 15 кВт. Если отапливать по системе «теплый пол», то мощность котла примерно 8 кВт. Стоимость СЭС такой мощности будет примерно 450 000 руб. Это без учета затрат на монтаж и обслуживание системы.

Но что, если нужна солнечная электростанция для загородного дома летнего проживания, в котором вообще нет сетевого электричества. Произведём расчет мощности солнечной электростанции, примерно прикинув потребление.

Допустим жители будут пользоваться двумя сотовыми телефонами, мощностью зарядки 5 Вт, ноутбуком – 50 Вт, холодильником – 70 Вт, пять светодиодных ламп – 50 Вт, чайник – 2000 Вт.

Представив примерно время работы, вычислим потребляемую мощность.

Потребитель	Мощность, ватт	Время работы в сутки, час	Потребление в сутки, кВт/час
Сотовые телефоны	10	3	0,03
Ноутбук	50	4	0,2
Холодильник	70	12	0,84
Лампочки	50	4	0,2
Чайник	2000	0,33	0,66
Итого:	2180	23,33	1,93

Возможная пиковая нагрузка 2180 Вт, суточное потребление электроэнергии – 1,93 кВт. По данным параметрам можно выбрать автономную солнечную электростанцию «Дача-3». Её характеристики:

Характеристики станции Дача-3
Максимальная мощность	2000 Вт
Кратковременная мощность	4000 Вт
Максимальная выработка	До 4 кВт*ч/сут
Ёмкость АКБ	2 х 200 А/ч
Мощность солнечных батарей	2 х 280 Вт
Тип батарей	Поликристаллический
Срок службы солнечных батарей	20 лет
Вес комплекта	156 кг
Цена	От 107 169 тыс. руб

Станция выдаёт кратковременную мощность в 4000 Вт, если за день заряжены аккумуляторы, и вечером семья собралась дома. Нормальная мощность работы – 2 кВт. Максимальная выработка – 4 кВт*ч/сут, что превышает расчетные потребности в два раза. Но это максимальная выработка, с учетом хороших погодных условий, поэтому коэффициент запаса равен двум, чтобы в пасмурную погоду не оставаться без электричества.

Если посчитать срок окупаемости солнечных батарей для дачного дома «Дача-3», то даже при максимальной выработке 4 кВт*ч/сут, и цене на электроэнергию 5 руб/кВт*ч, то получится:

Доход в месяц= 4 кВт*ч/сут * 5 руб*30,5сут = 610 руб.

Срок окупаемости = 107 169 руб/610 руб = 175 мес.

Расчеты примерны и приведены для уровня инсоляции в Московской области, для каждого отдельного региона и местности расчеты нужно производить отдельно.

Место под солнечную электростанцию – как и где устанавливать?

Монтируют солнечные батареи обычно на крыше дома, или же на территории участка на открытых местах. Направлением на Юг, под углом к горизонту. Если батарея работает круглый год, то угол наклона долен быть равен географической широте места установки. Если оборудование эксплуатируется только летом, то широте минус 15 градусов.

Эффективность системы можно повысить, если батареи будут размещены на трекере, который следит за Солнцем и поворачивать их. Но это также приведёт к её усложнению и удорожанию.

Другие критерии установки:

• место установки не должно затеняться деревьями или другими зданиями;
• между панелями должен быть вентиляционный зазор;
• нужно предусмотреть условия для очистки панелей.

Как сделать систему эффективнее.

Самый первый способ — снизить стоимость обогрева. При любой системе отопления – это утепление дома. Перекрытия крыши, стены, теплоизолированные окна сильно повысят эффективность отопления.

Способы повышения эффективности для гелиосистем:

• правильная регулировка угла наклона панелей, корректировка, учитывая положение Солнца летом и зимой;
• правильный расчет места установки, выбор места без затенения от зданий и деревьев;
• своевременная очистка от мусора, пыли и снега;
• расчет оборудования. Например, если в течение дня в доме электричеством практически не пользуются, то увеличение емкости аккумуляторов позволит сохранить запасы дневной энергии;
• увеличение количества панелей, если позволяет мощность системы.

В данном видео можно получить информацию об опыте успешного применения гелиосистемы

Система солнечного отопления и горячего водоснабжения на основе солнечных вакуумных коллекторов

Видео о 3-х летнем опыте солнечного отопление дома можно посмотреть в следующем видео

Солнечное отопление дома солнечными батареями опыт 3 года

Заключение

Чем лучше показатель инсоляции, тем больше будет эффективность применения гелиосистем. Но и в средней полосе возможно снизить затраты на отопление или же полностью обеспечить дом энергией, при правильном расчете и подборе оборудования. Опыт успешного применения есть, и он говорит о том, что система периодически пересчитывалась и дорабатывалась, докупалось оборудование, утеплялось помещение. Если задаться такой целью, то даже в регионах с небольшим уровнем инсоляции можно полностью отапливать и обеспечивать дом с помощью энергии Солнца.