Солнечные батареи для отопления дома: виды, как выбрать и правильно их установить

Комплектация гелиоэлектростанции

Чтобы правильно подобрать комплектующие для своей электростанции, необходимо определить количество приборов и их мощность. Для наглядности лучше рассмотреть конкретный пример: есть дача, находящаяся в пригороде Рязани, в которой проживают, начиная с марта и по сентябрь.

В комплектацию солнечных батарей входят: солнечные панели, инвертор, крепеж, дополнительные материалы (кабели, автоматы и т.д.) Среднесуточное потребление равно 10 000 Вт/ч, Нагрузка — в среднем 500 Вт, Максимальная нагрузка — 1000 Вт. Подсчитаем пиковую нагрузку, увеличив максимальную на 25%: 1000 х 1,25 = 1250 Вт.  

Солнечные коллекторы для отопления дома: разновидности установок

По конструктивному исполнению солнечные коллекторы могут быть плоскими или вакуумными. Последний вариант является более распространенным типом, который характеризуется простотой монтажа, высокой эффективностью, способностью обеспечить необходимым количеством тепла весь дом. Вакуумный солнечный коллектор для отопления дома, цена которого превышает стоимость плоского изделия, представлен сложной конструкцией, которую можно использовать для полноценного обогрева помещения и нагрева воды в любой сезон года.

По типу конструкции солнечные коллекторы бывают вакуумными и плоскими

Существует особый тип установки, который называется коллектор-концентратор. Он представляет собой систему параболических отражателей, которые располагаются на одной криволинейной поверхности, где концентрируется в определенных точках солнечный свет. Для получения максимального эффекта необходимо изменять вслед за движением солнца положение устройства, которое может находиться в двух плоскостях.

В зависимости от теплоносителя различают жидкостные и воздушные конструкции. В первом случае используется дистиллированная вода или антифриз, а во втором – нагретый воздух.

По варианту применения теплоносителя различают пассивные и активные системы. В первом варианте солнечный коллектор используется совместно с баком накопителем. Такая система приемлема для горячего водоснабжения и не комплектуется дополнительными инженерными элементами. Активный вариант предполагает установку солнечного коллектора и других технических устройств, таких как насос, бак-накопитель, защитные клапаны, дополнительные приборы нагрева теплоносителя. Такая система может применяться и для горячего водоснабжения, и для отопления дома.

По виду использования коллекторы могут быть пассивными и активными

Способ передачи тепла может быть косвенным или прямым. Первый вариант предполагает наличие аккумулирующего бака, в котором выполняется передача тепловой энергии, полученной наружным контуром от солнечного излучения, внутреннему контуру, циркулирующему в системах отопления и ГВС. В прямоточных системах, которые применяются для горячего водоснабжения, циркуляция воды в контуре коллектора происходит под воздействием разности температур и благодаря наличию дополнительных элементов в виде клапанов и кранов.

Классификация солнечных коллекторов для отопления по температуре нагрева теплоносителя

Воздушные или водяные солнечные коллекторы для отопления дома можно классифицировать по степени нагревания его рабочих органов и теплоносителя. В зависимости от этого критерия различают низко-, средне- и высокотемпературные установки. Низкотемпературные варианты способны обеспечить нагрев теплоносителя до 50 °С. Такие тепловые коллекторы используются для подогревания воды в душевых летом, в емкостях для полива, для создания комфортных условий в прохладные весенне-осенние вечера.

Среднетемпературные системы обеспечивают нагрев теплоносителя до 80 °С. Такие установки употребляются для обогрева помещений, для бассейнов. Солнечные коллекторы данной категории наиболее целесообразно устанавливать при обустройстве частного дома. Высокотемпературные системы способны нагреть теплоноситель до температуры 250-300 °С. Такие устройства рекомендуется использовать в промышленных масштабах. Их применяют для обогрева коммерческих зданий, производственных цехов и других технологических помещений.

Высокотемпературные системы предполагают сложный процесс преобразования и передачи тепловой энергии. Конструкции имеют внушительные габариты, требующие много свободного пространства для их монтажа. Процесс изготовления системы является весьма трудоемким и затратным, что связано с использованием специализированного оборудования. Самостоятельно выполнить такой вариант не удастся.

По температуре нагрева коллекторы классифицируются на низко-, средне- и высокотемпературные

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

1. Можно жить в тепле сколько захочется.
2. Есть возможность регулирования температуры в доме на любом уровне.
3. Складывается независимость от представителей коммунальных служб. точнее не придётся платить за электроэнергию.
4. В запасе будет столько энергии. что даже можно будет расходовать её на другие нужды.
5. Батареи имеют большой срок годности. это избавляет от хлопот по их замене и ремонту.
6. Этот вид отопления домов никак не вредит окружающей среде. не создаёт причин для замыканий от попадания влаги.
7. Можно установить дополнительные элементы для создания возможности работать даже ночью.
8. Быстрая установка специалистами на крыше дома солнечных батарей.
9. Возможность сдавать испортившиеся батареи на переработку. можно получить за это небольшую сумму денег.
10. Минимальные затраты для покупки.
11. Солнечные батареи бесшумны. в отличие от других источников их энергия бесплотна.
12. Топливо для постоянной работы не нужно.

Отопление, которое производят солнечные батареи уникально. Оно лучше, чем тепло производящее газовая печка или же паровая. Никакой вид отоплений не сравнится с солнечными пластинами.

Плюсом является и обслуживание батарей и их элементов. Их срок годности большой, не придётся по любому поводу звать на помощь мастера. Самый достойный плюс – неисчерпаемость источника (Солнца). Пока оно светит в небе — энергии будет в достатке всегда.

Недостатков несколько, основные из них это:

1. При установке батарей на крыше дома. их следует размещать на южной стороне крыши, что бывает не очень удобно.
2. Круг регионов. где можно использовать данную технологию сужается в связи с погодой, нужно ясное небо и яркое солнце.
3. Система стропил дома должна быть идеально прочной. батареи не очень-то и легки, поэтому нужно учитывать обеспечение безопасности.
4. Зимой они малоэффективны. поэтому приходится использовать энергию в запасе или же подключить модули солнечных батарей гибридам системы.
5. При переизбытке энергии они могут отключиться на «профилактику». Нельзя допускать этого, тратить нужно в меру.

Размещение устройства и цена

Стабильность параметров приборов позволяет выполнить расчёт их окупаемости и выбрать наиболее подходящую цену панели. В среднем расходы на покупку солнечных панелей со всеми необходимыми элементами и создание на их основе автономной электрической сети в доме окупаются через 2-3 года.

Важнейшими параметрами, от которых зависит электрическая эффективность, являются:

• отсутствие пыли, грязи, снега на поверхности модулей;
• отсутствие тени от окружающих предметов;
• угол падения солнечных лучей на модули.

Для максимальной эффективности модули должны размещаться под прямым углом к солнечным лучам. Наиболее эффективными являются такие панели, которые автоматически сохраняют положение модулей вслед за движением солнца в течение дня.

Подвижные панели имеют более высокие затраты на установку и эксплуатацию. При этом они позволяют создать более мощную электрическую сеть с меньшим количеством модулей и прочих элементов. Фотоэлектрическая батарея имеет простую конструкцию панели, на которой размещены фотоэлектрические элементы. Поэтому можно сэкономить деньги, купив фотоэлектрические элементы, и своими руками изготовить и собрать фотоэлектрическую электрическую панель.

Как рабо­тают сол­неч­ные батареи другими словами

Сол­неч­ная бата­рея рабо­тает сле­ду­ю­щим образом.

1. Фотоны уда­ря­ются о поверх­ность сол­неч­ной бата­реи и погло­ща­ются её рабо­чим мате­ри­а­лом, напри­мер крем­нием.
2. Фотоны, стал­ки­ва­ясь с ато­мами веще­ства выби­вают из него его род­ные элек­троны. В резуль­тате чего воз­ни­кает раз­ность потен­ци­а­лов. Сво­бод­ные элек­троны начи­нают дви­гаться внутри веще­ства, чтобы пога­сить раз­ность потен­ци­а­лов. Воз­ни­кает элек­три­че­ский ток. Так как сол­неч­ная бата­рея это полу­про­вод­ник, элек­троны дви­жутся только в одном направ­ле­нии.
3. Получаемый ток солнечная батарея преобразует в постоянный и отдает его потребителю или аккумулятору.

Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПД 

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20 % КПД. Однако на практике и по данным специалистов он примерно равен всего 10 %, при том, что для каких солнечных батарей больше, для каких то меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен p-n переход. Самыми ходовыми и имеющими наибольший процент КПД продолжают являться солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все распространеннее. К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. 

Монокристаллические светопреобразователи имеют исключительно чёрно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи, изготавливаемые методом литья, оказались более дешевыми в производстве. Однако и у поли- и монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не обладают гибкостью, которая в некоторых случаях не помешает. 

Ситуация меняется с появлением в 1975 году солнечной батареи на основе аморфного кремния, активный элемент которых имеет толщину от 0,5 до 1 мкм, обеспечивая им гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на светопоглощаемость аморфного кремния, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного, эффективность солнечных батарей такого типа, а именно КПД не превышает 12 %. Для моно- и поликристаллических вариантов при всем этом он может достигать 17 % и 15 % соответственно. 

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей 

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве примесей для изготовления пластины, вырабатывающей положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря ним солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур. 

В современном мире отдельно от других устройств солнечные батареи используются все реже, чаще представляя собой так называемые системы. Учитывая, что фотоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически бесполезными. С системами на солнечных батареях всё иначе. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его вырабатывает, а ночью, накопленный заряд может отдавать потребителям.

Трубчатые солнечные коллекторы

Трубчатые солнечные коллекторы собираются из отдельных трубок, по которым курсирует вода, газ или пар. Это одна из разновидностей гелиосистем открытого типа. Однако теплоноситель уже намного лучше защищен от внешнего негатива. Особенно в вакуумных установках, устроенных по принципу термосов.

Каждая трубка подключается к системе отдельно, параллельно друг другу. При выходе из строя одной трубки ее легко поменять на новую. Вся конструкция может собираться непосредственно на кровле здания, что значительно облегчает монтаж.

Трубчатый коллектор имеет модульную структуру. Основным элементом является вакуумная трубка, количество трубок варьируется от 18 до 30, что позволяет точно подобрать мощность системы

Веский плюс трубчатых солнечных коллекторов заключается в цилиндрической форме основных элементов, благодаря которым солнечное излучение улавливается круглый световой день без применения дорогостоящих систем слежения за передвижением светила.

Специальное многослойное покрытие создает своего рода оптическую ловушку для солнечных лучей. На схеме частично показана внешняя стенка вакуумной колбы отражающая лучи на стенки внутренней колбы

По конструкции трубок различают перьевые и коаксиальные солнечные коллекторы.

Коаксиальная трубка представляет собой сосуд Дьаюра или всем знакомый термос. Изготовлены из двух колб между которыми откачан воздух. На внутреннюю поверхность внутренней колбы нанесено высокоселективное покрытие эффективно поглощающее солнечную энергию.

При цилиндрической форме трубки солнечные лучи всегда падают перпендикулярно поверхности

Тепловая энергия от внутреннего селективного слоя передается тепловой трубке или внутреннему теплообменнику из алюминиевых пластин. На этом этапе происходят нежелательные теплопотери.

Перьевая трубка представляет собой стеклянный цилиндр со вставленным внутрь перьевым абсорбером.

Свое название система получила от перьевого абсорбера, который плотно обхватывает тепловой канал из теплопроводящего металла

Для хорошей теплоизоляции из трубки откачан воздух. Передача тепла от абсорбера происходит без потерь, поэтому КПД перьевых трубок выше.

Термотрубка представляет собой запаянную емкость с легкоиспаряющейся жидкостью.

Поскольку легкоиспаряющаяся жидкость естественным образом стекает на дно термотрубки, минимальный угол наклона составляет 20°

Внутри термотрубки находится легкоиспаряющаяся жидкость, которая воспринимает тепло от внутренней стенки колбы или от перьевого абсорбера. Под действием температуры жидкость закипает и в виде пара поднимается вверх. После того как тепло отдано теплоносителю отопления или горячего водоснабжения, пар конденсируется в жидкость и стекает вниз.

В качестве легкоиспаряющейся жидкости часто применяется вода при низком давлении.

В прямоточной системе используется U-образная трубка, по которой циркулирует вода или теплоноситель системы отопления.

Одна половина U-образной трубки предназначена для холодного теплоносителя, вторая отводит нагретый. При нагреве теплоноситель расширяется и поступает в накопительный бак, обеспечивая естественную циркуляцию. Как и в случае систем с термотрубкой, минимальный угол наклона должен составлять не менее 20⁰.

При прямоточном подключении давление в системе не может быть высоким, так как внутри колбы технический вакуум

Прямоточные системы более эффективны так как сразу нагревают теплоноситель.

Если системы солнечных коллекторов запланированы к использованию круглый год, то в них закачивается специальные антифризы.

Плюсы и недостатки трубчатых коллекторов

Применение трубчатых солнечных коллекторов имеет ряд достоинств и недостатков. Конструкция трубчатого солнечного коллектора состоит из одинаковых элементов, которые относительно легко заменить.

Достоинства:

• низкие теплопотери;
• способность работать при температуре до -30⁰С;
• эффективная производительность в течение всего светового дня;
• хорошая работоспособность в областях с умеренным и холодным климатом;
• низкая парусность, обоснованная способностью трубчатых систем пропускать сквозь себя воздушные массы;
• возможность производства высокой температуры теплоносителя.

Конструктивно трубчатая конструкция имеет ограниченную апертурную поверхность. Обладает следующими недостатками:

• не способна к самоочистке от снега, льда, инея;
• высокая стоимость.

Несмотря на первоначально высокую стоимость, трубчатые коллекторы быстрее окупаются. Имеют большой срок эксплуатации.

Трубчатые коллекторы относятся к гелиоустановкам открытого типа, потому не подходят для круглогодичного использования в системах отопления

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.

Солнечный дом

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».

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.

Устройство солнечного дома

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.

Солнечная электростанция

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.

Источники энергии

Источники энергии, берущиеся из окружающей среды, становятся все более актуальными.

Вода, ветер и солнце являются практически бесконечными источниками, способными обеспечить практически неиссякаемой энергией. Остается только преобразовать ее в электроэнергию.

Причем эти источники доступны не только в промышленных масштабах, ими может воспользоваться и простой обыватель.

Самым оптимальным для владельца дома или дачи является использование солнечной энергии.

Ведь реки есть не везде, существуют и районы, где ветра не так уж и много, а вот дневной свет способен обеспечить электроэнергией практически в любом месте земного шара.

Конечно, полностью обеспечить электроэнергией все приборы в доме за счет энергии солнца удастся не всегда, но часть их – вполне возможно.

Количество вырабатываемой электроэнергии зависит от многих факторов: площади солнечных панелей, материала их изготовления, особенностей дополнительного оборудования, погодных условий.

Эффективность солнечных батарей

В зависимости от действия различных факторов КПД солнечной электростанции способен изменяется как в сторону увеличения, так и уменьшения. На эффективность работы гелиопанелей оказывают влияние:

• температурный режим работы;
• уровень освещенности;
• угол, под которым панель освещается солнечными лучами;
• сопротивление потребителей (нагрузки);
• затемнение участков панели;
• загрязнение поверхности батарей.

КПД гелиопанелей падает при повышении температуры. При облачности снижается производительность ФЭП с линзами, фокусирующими солнечное излучение.

Идеальным считается угол падения лучей на панель 90 градусов. Если он отклонится от прямого, например, в пределах 30 градусов, то КПД солнечной батареи упадет примерно на 5 %. Дальнейшее изменение угла приводит к значительному снижению производительности за счет увеличения количества отраженного света.

ФЭП должно быть равномерно освещено. Затемненные участки не только не генерируют электричество, но и становятся источниками дополнительной нагрузки. Перед батареями не должно быть объектов, закрывающих их частично или полностью от солнечных лучей. Поверхность панелей необходимо регулярно очищать от грязи и пыли.

Преимущества отопительной системы на солнечных батареях

Можно отметить несколько достоинств солнечных батарей для отопления дома:

• Круглый год ваш дом обеспечен необходимым теплом. Также можно регулировать температурный режим в доме по своему усмотрению.
• Тотальная независимость от жилищно-комунальных служб. Теперь вам не придется платить огромные счета за отопление.
• Солнечная энергия – это такой запас, который можно использовать на различные нужды бытового характера.
• У таких батарей очень хороший эксплуатационный срок. Они редко выходят из строя, поэтому не придется беспокоиться о том, что необходим ремонт или замена некоторых компонентов.

Есть некоторые нюансы, на которые стоит обратить внимание перед тем, как остановить свой выбор на данной системе. Ведь такая система может подойти не для всех. Во многом качество такой отопительной системы зависит от географии проживания

Если вы проживаете в таком регионе, где солнце светит далеко не каждый день, то такие системы будут неэффективными. Еще одним недостатком данной системы является то, что солнечные батареи стоят недешево. Правда, не стоит забывать о том, что такая система со временем себя полностью окупит

Во многом качество такой отопительной системы зависит от географии проживания. Если вы проживаете в таком регионе, где солнце светит далеко не каждый день, то такие системы будут неэффективными. Еще одним недостатком данной системы является то, что солнечные батареи стоят недешево. Правда, не стоит забывать о том, что такая система со временем себя полностью окупит.

Продолжительность солнечного сияния на территории России

Для того чтобы снабдить дом необходимым количеством тепла, потребуется от 15 до 20 кв. метров площади солнечных батарей. Один квадратный метр выделяет в среднем до 120Вт.

Обязательным условием является установка солнечных батарей на южную сторону крыши, так как на нее распространяется больше всего тепла. Для того чтобы отопление от солнечных батарей было максимально эффективным, угол наклона крыши должен составлять около 45 градусов. Желательно, чтобы возле дома не росли высокие деревья и не находились другие предметы, которые могут создавать тень. Стропильная система дома должна обладать необходимой прочностью и надежностью. Так как солнечные батареи не совсем легкие, нужно позаботиться о том, чтобы они не нанесли вред зданию и не спровоцировали разрушительные процессы. Вероятность обрушения возрастает зимой, так как в это время на крыше, помимо тяжелых батарей, будет накапливаться снег.

Солнечные батареи как правило размешают на крыше дома

Несмотря на то, что солнечные батареи стоят довольно дорого, они все больше набирают популярность. Их используют даже там, где климат не слишком жаркий. Такую систему можно использовать и в качестве дополнительного отопления дома. Наиболее эффективны такие системы в летние месяцы, когда солнце светит почти каждый день. Однако не стоит забывать о том, что дом необходимо отапливать преимущественно в зимние месяцы.