Отопление загородного дома с использованием солнечных панелей: технологии и схемы

Популярность альтернативных источников энергии легко объяснить: это дает возможность не только сократить расходы на отопление, но и осуществить мечты о создании экологически чистых систем жизнеобеспечения. Умело harnessing солнечной, ветровой и водной энергии, можно преобразовать привычный дачный домик в современный экодом.

В этой статье мы рассмотрим, как организовать отопление в частном доме с помощью солнечных батарей и обсудим выгоды этого подхода. Мы проанализируем все популярные и проверенные методы использования солнечной энергии и представим информацию в доступной форме, дополненной наглядными схемами и видеоматериалами.

С нашими советами вам будет проще создать эффективную солнечную систему для вашего дачного или загородного дома. Мы постарались сделать информацию максимально понятной и наглядной.

Способы применения солнечной энергии

Методы использования солнечной энергии существуют не одно десятилетие; тепло солнца используется с успехом, особенно в таких странах, как Австралия, в ряде европейских государств и в южных регионах. В этих местах альтернативная энергия доступна практически круглогодично.

Однако на севере, в некоторых районах, наблюдается нехватка солнечного света, поэтому солнечные технологии используются в качестве дополнительного или резервного источника.

Пассивное использование солнечной энергии

Существует множество способов оптимального размещения солнечных панелей и организации гелиосистем, что позволяет эффективно использовать солнечную энергию.

Промежуточными звеньями между солнечными лучами и механизмами, производящими энергию, выступают солнечные батареи или коллекторы, которые различаются по назначению и конструкции.

Солнечные батареи аккумулируют солнечную энергию для питания различных бытовых приборов. Это панели с фотоэлементами, при этом можно попробовать собрать батарею самостоятельно или приобрести готовые решения на рынке.

Что касается гелиосистем, то они включаются в структуру отопительного комплекса вашего дома и устанавливаются как большие теплоизолированные коробки с теплоносителем, поднимающиеся на специальные щиты или скаты крыши.

Не стоит думать, что лишь южные регионы получают достаточно солнечного тепла. Например, в некоторых частях Чукотки или центральной Канады солнечных дней может быть гораздо больше, чем в южной Великобритании.

Для повышения эффективности солнечных панелей можно использовать динамические механизмы, которые позволяют им поворачиваться за движением света. Энергия преобразуется в трубках, находящихся внутри коробов.

Главное отличие между солнечными батареями и гелиосистемами в том, что последние предназначены для нагрева теплоносителя, тогда как солнечные панели преобразуют солнечную энергию в электричество. Существуют способы обогрева помещений с использованием фотоэлементов, но такие схемы подходят только для регионов с 200 солнечными днями в год.

Пример схемы отопительной системы с солнечным коллектором, соединенным с бойлером, и резервным источником электроэнергии (например, газовым котлом), работающим на традиционном топливе.

Преимущества и недостатки альтернативной системы отопления

Несмотря на незначительное количество достоинств солнечной системы отопления, каждое из них имеет весомое значение и может стать стимулом для экспериментов:

• Экологическая чистота. Это безопасный и чистый источник тепла, который не требует ископаемых видов топлива.
• Автономность. Владельцы солнечных систем не зависят от внешних источников энергии и нестабильных цен на энергоресурсы.
• Экономичность. Использование солнечных систем позволяет сократить затраты на горячую воду и другие коммунальные услуги в рамках традиционной системы отопления.
• Доступность. Для установки солнечных систем не требуется разрешение от государственных органов.

Однако есть и некоторые недостатки, которые могут помешать идеальной картине. Например, чтобы понять эффективность системы, потребуется как минимум три года, если солнечной энергии будет достаточно.

Также установка только солнечных панелей потребует значительных финансовых вложений: самые доступные кремниевые элементы стоят минимум 2200 рублей за единицу, тогда как поликристаллические панели могут достигать 17000 рублей за штуку. Посчитать стоимость 30 модулей не составит труда.

К существенным недостаткам, которые отмечают пользователи, можно отнести:

• высокие цены на необходимое оборудование для установки системы;
• зависимость эффективности системы от места расположения и погодных условий;
• необходимость наличия резервного источника энергии, такого как газовый котел, хотя на практике именно солнечная система может выступать в роли резервного источника.

Чтобы получить максимальную отдачу от системы, нужно регулярно следить за работоспособностью коллекторов, очищать их от загрязнений и предотвращать образование инея в холодное время. Если температура часто опускается ниже нуля, стоит подумать о дополнительной теплоизоляции как для элементов гелиосистемы, так и для самого дома.

Использование солнечной энергии для отопления

Основная задача фотоэлементов, которые аккумулируют энергию, заключается в обеспечении дома электричеством. Для интеграции их в отопительную систему необходимо собрать цепочку с накопительным баком.

В этом баке происходит нагрев воды, которая, достигнув необходимой температуры, направляется через трубы и радиаторы в помещения, требующие обогрева, такие как гостиная или ванная комната.

Система, работающая от солнечной энергии, с двухконтурным баком организует нагрев и подачу горячей воды одновременно для отопления и бытовых нужд.

Давайте подробнее рассмотрим конструктивные особенности солнечных панелей и их роль в отопительном процессе.

Принцип работы фотоэлементов

Существует три основных типа элементов, которые используются в солнечных батареях:

• Монокристаллические. Это тонкие пластины чистого кремния, изготовленные из кристаллов, выращенных в искусственных условиях. Они обладают высокой производительностью с КПД около 17-18%. Оптимальная рабочая температура — от 5 до 25 °C.

• Поликристаллические. Создаются из пластин, полученных при плавлении и последующем остывании кремния. Производственный процесс проще, но КПД этих фотоэлектрических элементов намного ниже — около 12%.

• Аморфные. Также известные как пленочные. Изготавливаются методом осаждения кремния в тонкую пленку на гибкой полимерной основе. Это самый дешевый способ, но фирменная эффективность составляет всего около 7%.

Для автономного отопления в северных регионах наиболее оптимальными считаются фотоэлектрические батареи, изготовленные из монокристаллических элементов. Тем не менее, аморфные модули проще в установке и намного дешевле, хотя и имеют меньшую эффективность.

Монокристаллические модули состоят из элементов, соединенных последовательно и собранных в модули. Несколько таких модулей формируют солнечную батарею. Темный цвет поверхности фотоэлектрических установок способствует лучшему захвату солнечного света.

Основная задача внешних элементов заключается в том, чтобы улавливать солнечную энергию и преобразовывать её. Освобожденная энергия передается далее и аккумулируется в энергонакопителе. Каждый небольшой элемент может выдавать примерно 100-250 Вт, а сборная солнечная панель площадью 25-30 м² может обеспечить электроэнергией небольшой дом. Для функционирования системы отопления потребуется в 2-3 раза больше энергии.

Инвертор выполняет функцию преобразователя постоянного тока, генерируемого солнечными модулями, в электричество, поскольку для работы бытовых приборов и осветительных устройств необходим переменный ток.

Что касается систем отопления, электрические котлы для подогрева воды также функционируют на переменном токе. Для обеспечения ночного освещения в доме понадобятся аккумуляторы, которые будут хранить запасы энергии, накопленной в течение дня.

Инверторные модули размещаются в удобных для обслуживания местах, однако в них нет необходимости постоянно вмешиваться, так как они работают в автоматическом режиме (+).

Эффективность применения фотоэлементов

Наиболее простой способ — это приобрести солнечные коллекторы и использовать одну из проверенных схем, которые существуют долгое время. Тем не менее, иногда обстоятельства могут требовать иного подхода. Например, если у вас уже имеется работающая система с солнечным генератором, но она в данный момент используется только для обеспечения дома электроэнергией и горячей водой.

В этом случае покупка нового оборудования может быть нецелесообразной, и оптимальным решением будет увеличение мощности системы путем приобретения дополнительных фотоэлектрических преобразователей. Экономичный вариант — это кремниевые панели с эффективностью до 23-25%.

К электросети необходимо подключить нагревательное устройство на электричестве. Хорошим решением является котел с распределительной системой.

Полимерные пленочные элементы встречаются на российском рынке значительно реже по сравнению с их кремниевыми аналогами — моно- и поликристаллическими. Хотя они удобны в установке, их рабочая эффективность оставляет желать лучшего — всего 6%.

При правильной организации подачи электричества должно быть достаточно как для системы горячего водоснабжения, так и для отопления. Есть примеры, когда дома полностью отапливаются и их легко узнать по крышам, почти полностью покрытым солнечными панелями.

Иногда требуется устанавливать отдельные конструкции, если площадь крыши оказывается недостаточной. Таким образом, для повышения производительности необходима дополнительная свободная площадь.

Даже при самом тщательном расчете будет затруднительно определить точный объем потенциальной энергии и быстро создать эффективную и отлаженную систему. Дело в том, что на практике могут возникнуть препятствия, предугадать которые сложно.

Некоторые из этих факторов:

• Непостоянство погоды. Даже в южных регионах трудно предсказать, сколько солнечных дней будет. В северных областях такое предсказание практически невозможно.
• Нерегулярное получение электричества. Например, в северных регионах зимой световой день очень короток, поэтому большая часть солнечной энергии используется для освещения, а уровень солнечного излучения в зимний период значительно снижается.
• Периодические неисправности. Как и любая техника, солнечные панели время от времени могут выходить из строя из-за повреждений отдельных элементов, соединений, защитных поверхностей и так далее.

По этой причине о реальной эффективности системы можно судить лишь через определенный промежуток времени, минимальный срок которого составляет один год. Возможно, придется закупить дополнительные фотоэлементы или аккумуляторы, улучшить теплоизоляцию дома или сократить площадь отапливаемого помещения. Например, в северных регионах Германии спальни часто не отапливаются для экономии.

Обслуживание установленных фотоэлементов не требует специальных навыков и заключается в регулярной чистке: зимой — в удалении снега, а в теплый период — в очистке от мусора и промывке стеклянной поверхности водой.

Схема установки домашней электростанции

Самый простой способ установки солнечного генератора — обратиться в компанию, которая предлагает компоненты систем и услуги по их монтажу. Плюсы заключаются в профессиональном проекте с учетом индивидуальных особенностей, а также в гарантии на продукцию и установку, минус — высокая стоимость.

Если у вас есть соответствующий опыт, вы можете самостоятельно собрать мини-электростанцию с солнечными батареями для отопления частного жилья.

Наиболее эффективной представляется гибридная схема воздушно-солнечной системы, в которой используются фотоэлементы для генерации энергии, коллекторы для подогрева воды, а также дополнительно ветрогенератор. Его также можно заменить резервным источником топлива (+).

Все необходимые для сборки системы отопления компоненты доступны в специализированных магазинах.

Вам потребуются следующие детали:

• комплект кремниевых или пленочных солнечных модулей;
• аккумуляторная батарея для накопления энергии;
• контроллер заряда, регулирующий процесс зарядки и разрядки аккумулятора;
• инвертор для преобразования постоянного тока в переменный;
• набор соединительных кабелей.

Рекомендуется использовать аккумуляторы одной марки, емкости и партий, способные хранить электричество на протяжении 3-4 дней. Время их эксплуатации зависит от температуры окружения — в холодных условиях они быстро разряжаются. При среднем потреблении в 2400 Вт-ч потребуются батареи с общей емкостью не менее 1000 А-ч.

При использовании автомобильных аккумуляторов следует учесть, что их эффективность достигает 70-75% (срок службы — около трех лет), тогда как специализированные устройства для солнечных систем могут обеспечить эффективность до 85% (срок службы — до десяти лет). Во время хранения и преобразования теряется часть энергии.

Качество тока, производимого инверторами синусоидального типа для солнечных систем, превосходит то, что обеспечивается централизованной сетью. Эти устройства имеют особенность синхронизации фазы напряжения, что позволяет переходить с 12 В на 220 В без перерыва в работе бытовых электрических приборов.

Мощность инверторов варьируется от 250 Вт до 6000 Вт и выше. Для увеличения выходной мощности можно параллельно подключить несколько устройств. Например, 3 х 3000 Вт = 9000 Вт (+).

После завершения монтажа всех элементов солнечной системы необходимо подключить электрический бак, который нагревает воду, а к этому баку — трубопровод отопления.

Коллекторная система отопления

Для достижения максимальной эффективности и отдачи стоит установить коллекторы вместо солнечных модулей. Это наружные устройства, в которых вода нагревается под действием солнечного излучения. Такая система более рациональна и естественна, так как не нужно использовать дополнительные устройства для подогрева теплоносителя.

Рассмотрим конструкцию и принцип работы двух основных типов приборов: плоских и трубчатых.

Плоские коллекторы для самостоятельного изготовления

Конструкция плоских коллекторов настолько проста, что опытные мастера могут собрать их самостоятельно, используя как приобретенные в магазине детали, так и подручные материалы.

Внутри изолированного стального или алюминиевого короба закреплена плита, которая поглощает солнечное тепло. Обычно она покрыта черным хромом. Сверху установка защищена прозрачной герметичной крышкой.

Нагрев воды происходит в трубках, уложенных зигзагообразно и соединенных с поглотительной плитой. Вода или антифриз поступает в короб через входной патрубок, нагревается в трубках и затем вытекает через выходной патрубок.

Для обеспечения светопропускной способности используется прозрачный материал — закаленное стекло или пластик (например, поликарбонат). Чтобы солнечные лучи эффективно попадали внутрь, стекло или пластик обрабатываются матированием (+).

Существует два способа подключения: однотрубное и двухтрубное. Принципиальной разницы в выборе нет. Основное отличие заключается в том, как теплоноситель подаётся к коллекторам: самотеком или с помощью насоса. Первый метод менее эффективен, так как скорость движения воды низкая, напоминая работу летнего душа.

Второй метод работает благодаря циркуляционному насосу, который принудительно подает теплоноситель. Энергия для работы насоса может быть получена от солнечной электростанции.

Температура теплоносителя при нагреве с помощью солнечного коллектора может достигать 45-60 °C, а на выходе максимальная температура составит 35-40 °C. Для повышения эффективности отопительной системы также применяются «теплые полы» (+).

Трубчатые коллекторы — решение для холодных регионов

Общий принцип работы трубчатых коллекторов схож с работой плоских, но с одним важным отличием: теплообменные трубки с теплоносителем располагаются внутри стеклянных колб. Сами трубки могут быть перьевыми, запаянными с одной стороны и напоминающими перья, или коаксиальными (вакуумными), вставленными друг в друга и запаянными с обеих сторон.

Существуют разные типы теплообменников:

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

Второй тип теплообменников доказал свою эффективность, но не так популярен из-за дороговизны ремонта: при поломке одной трубки придется заменить целую секцию.

Трубка Heat-pipe не относится к целой системе, что позволяет заменить её всего за пару минут. Если коаксиальные элементы вышли из строя, их можно отремонтировать, просто сняв заглушку и заменив поврежденный канал.

На схеме показан процесс нагрева внутри вакуумных трубок: охлажденная жидкость, под воздействием солнечного света, нагревается и испаряется, освобождая место для новой порции холодного теплоносителя (+)

Изучив технические параметры различных типов коллекторов и опираясь на практический опыт их эксплуатации, было решено, что плоские коллекторы лучше подходят для южных регионов, тогда как трубчатые – для северных. Особенно эффективно в сложных климатических условиях показывают себя установки с системой Heat-pipe, которые способны сохранять свою эффективность даже в облачные дни и ночное время, используя минимальное количество солнечного света.

На приведённом примере показана стандартная схема подключения солнечных коллекторов к бойлерам: насосная установка обеспечивает циркуляцию жидкости, а контроллер управляет процессом нагрева.

Способы повышения производительности

После проведения начальных экспериментов с небольшой количеством солнечных панелей, владельцы частных домов зачастую стремятся улучшить свою систему, применяя различные методы.

Самый простой подход заключается в увеличении количества панелей, что подразумевает использование дополнительных площадей для их установки и покупку более мощного сопутствующего оборудования.

А что делать, если не хватает свободного пространства? Вот несколько советов по увеличению эффективности солнечной установки (с фотомодулями или коллекторами):

• Оптимизация ориентации панелей. Перемещение панелей так, чтобы они были направлены в сторону солнца. Проще говоря, рекомендуется размещать основную часть панелей на южной стороне. Также, в период длительного светового дня, нужно использовать поверхности, ориентированные на восток и запад.

• Настройка угла наклона. Производители обычно указывают идеальный угол (например, 45°), но в процессе установки может потребоваться корректировка угла в зависимости от географических координат.

• Выбор подходящего места установки. Крыша часто является наилучшим выбором, так как она часто представляет собой самую высокую и не затененную другими объектами (например, садовыми деревьями). Однако существуют и более эффективные зоны – установка поворотных устройств, отслеживающих солнце.

Эффективность системы достигает максимума, когда панели расположены перпендикулярно солнечным лучам, но на фиксированных поверхностях (например, крышах) это возможно лишь на короткий промежуток времени. Для увеличения этого времени были разработаны эффективные устройства для слежения.

Динамические платформы слежения осуществляют поворот, следуя за солнечным светом. Это приводит к увеличению производительности генератора на 35-40% летом и на 10-12% зимой.

Недостатком таких систем слежения является их высокая стоимость, что в некоторых случаях делает их экономически нецелесообразными.

Согласно расчетам, минимальное количество панелей для оправдания инвестиций должно составлять восемь. Возможно использование и трех-четырех модулей, но при условии, что они подключены напрямую к насосам, обходя аккумуляторы.

Совсем недавно компания Тесла Моторс анонсировала новый вид крыши с интегрированными солнечными панелями. Илон Маск сообщил, что такая крыша будет дешевле, чем традиционная кровля с установленными на ней модулями или коллекторами.

Заключение и полезные видео по теме

Тематика видеороликов поможет более подробно разобраться в конструкции домашних солнечных станций и откроет некоторые секреты их установки.

Видео #1. Понятное изложение технических нюансов солнечных панелей и контроллеров заряда:

Видео #2. Полезный опыт эксплуатации солнечных батарей в Подмосковье:

Видео #3. Пример успешной самостоятельно собранной солнечной станции, которая обеспечивает горячее водоснабжение и отопление:

Как видно, система отопления на базе солнечных панелей – совершенно реальная возможность, которую вы можете воссоздать самостоятельно. Область альтернативных источников энергии постоянно развивается, и, возможно, уже завтра вы узнаете о новом прорыве.

Приглашаем вас активно обсуждать представленный материал. Высказать своё мнение о «зеленой энергетике», поделиться личным опытом настройки систем солнечных батарей и сообщить уникальные тонкости, вы сможете в комментариях ниже.