Отопление загородного дома с помощью солнечной энергии: варианты и схемы

Применение экологически чистой энергии, поступающей от природы, позволяет значительно снизить расходы на коммунальные услуги. Например, установив солнечное отопление для частного дома, вы сможете обеспечивать почти бесплатным теплоносителем радиаторы с низкой температурой и системы подогрева пола. Согласитесь, это уже приличная экономия.

Всё о «зеленых технологиях» вы сможете узнать из нашей статьи. Мы поможем вам легко разобраться в различных типах солнечных установок, способах их установки и особенностях эксплуатации. Вы, вероятно, заинтересуетесь одним из популярных решений, которые активно используются за границей, но пока не так широко распространены у нас.

В этом обзоре подробно рассматриваются конструкции систем, описаны схемы их подключения. Мы приведем пример расчета солнечного отопительного контура для понимания реальности его создания. Для мастеров, работающих самостоятельно, предоставлены фотогалереи и видео.

Экологически чистые технологии получения тепла

В среднем 1 м² земли получает около 161 Вт солнечной энергии в час. Естественно, на экваторе этот показатель значительно выше, чем в арктических регионах. Также плотность солнечного излучения меняется в зависимости от времени года.

В Московском регионе интенсивность солнечного света в зимние месяцы значительно отличается от летних, порой более чем в пять раз. Однако современные системы столь эффективны, что могут функционировать практически в любых условиях на Земле.

Современные солнечные системы способны продуктивно работать даже в пасмурные и сильные морозы, сохраняя работоспособность при температурах до -30°C.

Вопрос максимальной эффективности использования солнечной радиации решается двумя основными способами: через прямой нагрев в тепловых коллекторах и с помощью солнечных фотоэлектрических панелей. Сначала солнечные панели преобразуют световую энергию в электричество, а затем передают его через специализированную систему, например, для питания электрокотла.

Тепловые коллекторы, погреваясь от солнечных лучей, нагревают теплоноситель для систем отопления и горячего водоснабжения.

Солнечные коллекторы — главные источники подготовленного теплоносителя для отопительных систем загородных домов.

Коллектор — это система труб, открытых или закрытых, с темной поверхностью, улучшающей поглощение солнечного света.

Внутри открытых солнечных устройств трубки покрыты составом, который притягивает солнечные лучи и усиливает их действие.

Трубчатые коллекторы применяются для нагрева всех типов теплоносителей, используемых в системах отопления.

В наших широтах невозможно максимально использовать солнечное тепло для полноценного отопления. Для повышения производительности помогут концентрические формы и крупные линзы.

Модификации солнечных коллекторов, привлекающие наибольшее количество солнечных лучей, производятся в виде вогнутых конструкций с зеркальными отражателями.

Системы, предназначенные для массового получения солнечной энергии, часто оснащаются механизмами «слежения» за движением солнца.

Повышение эффективности системы достигается не только изменением формы или добавлением устройства для отслеживания, но и благодаря увеличению площади приема солнечных лучей.

Типы солнечных тепловых коллекторов

Тепловые коллекторы бывают разных типов, включая открытые и закрытые системы, плоские и сферические конструкции, полусферические коллекторы и многие другие. Тепловая энергия, полученная от солнечных коллекторов, используется для подогрева воды или теплоносителя в системах отопления.

Индустрия предлагает широкий выбор коллекторных систем для установки в автономные отопительные сети. Однако простой вариант для дачи можно легко изготовить самостоятельно:

Солнечные коллекторы — это одни из самых простых и бюджетных устройств, которые можно создать своими руками.

Коллектор представляет собой уложенный по-разному змеевик, подключенный к теплообменным контурам и к баку, который служит аккумулятором подогретого теплоносителя.

При самостоятельном изготовлении коллекторов часто используются медные трубки и змеевики от холодильников.

Для повышения производительности устройства изменяют форму и увеличивают площадь поглощения.

Распространенным и востребованным материалом для самоделок являются стальные трубы с тройниками, снятые с демонтированного водопровода, или их пластиковые аналоги.

Также активно применяются пластиковые бутылки с отрезанным дном и горлышком. Они служат в качестве светопроводящего кожуха для металлического приемника, находящегося внутри бутылок.

Интересный подход — использование алюминиевых банок, бывших в употреблении для соков и различных газированных напитков.

Стоит отметить, что в самодельном производстве солнечных коллекторов зачастую используются полимерные трубы: как гибкие из ПНД или ПВХ, так и жесткие ПП и ПВХ.

Преимущества и недостатки солнечного отопления

Хотя разработано множество решений для сбора, хранения и использования солнечной энергии, у этого подхода есть свои плюсы и минусы.

Оптимальное использование солнечной энергии

Очевидным преимуществом солнечной энергии является ее доступность. Даже в пасмурные и облачные дни солнечная энергия может быть собрана и использована.

Еще одно преимущество заключается в отсутствии выбросов. Это наиважнейший и наиболее экологически чистый способ получения энергии. Солнечные батареи и коллекторы работают бесшумно и чаще всего устанавливаются на крышах зданий, не занимая полезную площадь приусадебного участка.

Эффективность солнечного отопления в наших широтах довольно низкая из-за недостатка солнечных дней для стабильной работы системы.

Недостатки использования солнечной энергии связаны с нерегулярностью освещения. Ночью нет возможности собирать энергию, а отопительный сезон часто совпадает с самыми короткими днями в году. Также необходимо следить за чистотой панелей — даже незначительное загрязнение существенно снижает КПД.

Кроме того, эксплуатация солнечной системы не является полностью бесплатной: существуют постоянные расходы на амортизацию оборудования, работу циркуляционных насосов и управляющей электроники.

Серьезным недостатком солнечного отопления является отсутствие возможности накопления тепловой энергии. В системе имеется лишь расширительный бак.

Открытые солнечные коллекторы

Открытый солнечный коллектор представляет собой незащищенную систему труб, где теплоноситель, нагреваемый солнцем, циркулирует. В качестве теплоносителя могут использоваться вода, газ, воздух и антифриз.

Трубки могут быть закреплены на несущей панели в виде змеевика или соединяются параллельно с выходным патрубком.

Солнечные коллекторы открытого типа не предназначены для полноценного отопления частных домов. Из-за отсутствия изоляции теплоноситель быстро остывает. Их чаще используют летом для подогрева воды в душевых или бассейнах.

Обычно открытые коллекторы не имеют изоляции. Их простая конструкция обеспечивает низкую стоимость, что делает их популярными для самостоятельного изготовления.

Из-за недостатка изоляции такие системы не способны сохранить тепло, что приводит к низкому КПД. Главным образом они используются в летнее время для нагрева воды в бассейнах или летних душах.

Эти устройства устанавливаются в солнечных и теплых регионах, где небольшие перепады температуры окружающего воздуха и нагреваемой воды. Они хорошо работают только в солнечные и безветренные дни.

Простой солнечный коллектор, изготовленный из бухты полимерных труб, способен обеспечить подогрев воды на даче для полива и домашних нужд.

Трубчатые коллекторы

Трубчатые солнечные коллекторы состоят из отдельных трубок, по которым циркулируют вода, газ или пар. Это одна из разновидностей открытых гелиосистем. Однако в этом варианте теплоноситель лучше защищен от внешних факторов, особенно в вакуумных установках, которые работают по принципу термоса.

Каждая трубка подключается отдельно к системе, образуя параллельные линии. Если одна трубка выходит из строя, ее легко заменить. Конструкция может собираться прямо на крыше, что значительно упрощает монтаж.

Трубчатые коллекторы имеют модульную структуру. Основным элементом является вакуумная трубка, их количество составляет от 18 до 30, что позволяет точно подбирать мощность системы.

Преимущества трубчатых солнечных коллекторов заключаются в цилиндрической форме элементов, благодаря чему солнечное излучение улавливается в течение всего светового дня без необходимости в дорогостоящих системах слежения за солнцем.

Уникальное многослойное покрытие формирует оптическую ловушку для солнечного света. На представленном изображении частично изображена внешняя стенка вакуумной колбы, отражающая солнечные лучи на стенки внутренней колбы (+)

По типу конструкции различают солнечные коллекторы с перьевыми и коаксиальными трубками.

Коаксиальная трубка представляет собой сосуд науки Дьяра или всем известный термос. Она состоит из двух колб, между которыми находится вакуум. На внутренней поверхности внутренней колбы имеется высокоселективное покрытие, эффективно поглощающее солнечную энергию.

При цилиндрической форме трубки солнечные лучи всегда попадают под углом 90 градусов к поверхности.

Тепловая энергия от селективного слоя передается тепловой трубке или внутреннему теплообменнику, выполненному из алюминиевых пластин. В процессе происходят нежелательные теплопотери.

Перьевая трубка представляется собой стеклянный цилиндр с помещенным внутрь перьевым абсорбером.

Такое название система получила за счет перьевого абсорбера, который плотно охватывает тепловой канал из теплопроводного металла.

Для обеспечения хорошей теплоизоляции из трубки выкачан воздух. Передача тепла от абсорбера осуществляется без потерь, что делает эффективность перьевых трубок выше.

Существует два способа передачи тепла: прямоточные системы и системы с термотрубкой (heat pipe). Термотрубка представляет собой запаянный сосуд с легкоиспаряющейся жидкостью.

Так как легкоиспаряющаяся жидкость естественным образом стекает к дну термотрубки, минимальный угол наклона должен достигать 20° С.

Внутри термотрубки находится рабочая жидкость, которая нагревается от внутренней стенки колбы или перьевого абсорбера. Под действием высокой температуры жидкость начинает кипеть и в виде пара поднимается вверх. После передачи тепла теплоносителю для отопления или горячего водоснабжения пар конденсируется обратно в жидкость и стекает вниз.

Часто в качестве легкоиспаряющейся жидкости используют воду при пониженном давлении. В прямоточной системе применяется U-образная трубка для циркуляции воды или теплоносителя.

Одна часть U-образной трубки предназначена для холодного теплоносителя, другая — для отведения нагретого. При нагреве теплоноситель расширяется и попадает в накопительный резервуар, что обеспечивает естественную циркуляцию. Аналогично системам с термотрубкой, минимальный угол наклона должен составлять не менее 20°.

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

Прямоточные системы более эффективны, так как сразу начинают нагрев теплоноситель. Если планируется круглогодичное использование солнечных коллекторов, в них добавляется специальный антифриз.

Трубчатые солнечные коллекторы имеют свои преимущества и недостатки. Конструкция коллекторов состоит из одинаковых элементов, которые достаточно легко заменяются.

• низкие потери тепла;
• работоспособность при температурах до -30°С;
• высокая эффективность в течение всего светового дня;
• хорошие показатели в умеренном и холодном климате;
• низкая парусность благодаря способности трубчатых систем пропускать воздушные массы;
• возможность достижения высоких температур теплоносителя.

Однако конструкция трубчатых систем имеет ограниченную апертурную площадь.

К недостаткам относятся:

• неспособность очиститься от снега и льда;
• высокая стоимость.

Несмотря на высокую начальную цену, трубчатые коллекторы быстрее окупают себя и имеют длительный срок службы.

Эти коллекторы относятся к гелиосистемам открытого типа, что делает их менее подходящими для круглогодичного отопления (+)

Плоские закрытые системы

Плоский коллектор состоит из алюминиевой рамы, специального поглощающего элемента — абсорбера, прозрачного покрытия, трубопроводов и утеплителя.

В качестве абсорбера используется зачерненная листовая медь, обладающая идеальной теплопроводностью для солнечных систем. При поглощении солнечной энергии абсорбер передает ее теплоносителю, циркулирующему в системе трубок рядом с ним.

Наружная сторона закрытой панели защищается прозрачным покрытием, выполненным из закаленного стекла, которое обладает высокой прочностью. Оно пропускает солнечное излучение в диапазоне 0,4-1,8 мкм, что соответствует максимуму солнечного светопотока. Закаленное стекло обеспечивает надежную защиту от града. С обратной стороны панель герметично утеплена.

Плоские солнечные коллекторы способны продемонстрировать высокую производительность и простоту в конструкции. Их КПД повышен благодаря использованию абсорбера, что позволяет улавливать как рассеянное, так и прямое солнечное излучение.

К преимуществам закрытых плоских панелей относятся:

• простота конструкции;
• высокая эффективность в теплых регионах;
• возможность установки под любым углом с применением специальных механизмов;
• способность самоочищаться от снега и инея;
• низкая цена.

Плоские солнечные коллекторы особенно эффективны, если их установка предусмотрена на стадии проектирования. Срок службы качественных изделий достигает 50 лет.

Недостатками являются:

• высокие теплопотери;
• значительный вес;
• высокая парусность, если панели расположены под углом;
• ограниченная производительность при температурных перепадах более 40°С.

Область применения закрытых коллекторов значительно шире, чем у открытых гелиосистем. Летом они полностью способны обеспечить потребность в горячей воде. В прохладные дни, когда отопление не функционирует, они могут заменить газовые или электрические обогреватели.

Для тех, кто планирует изготовить солнечный коллектор своими руками для дачного отопления, мы предлагаем ознакомиться с проверенными схемами и пошаговыми инструкциями по сборке.

Сравнение характеристик солнечных коллекторов

Ключевым показателем эффективности солнечного коллектора является коэффициент полезного действия (КПД). Производительность различных типов коллекторов зависит от разности температур. При этом плоские коллекторы гораздо более доступны по цене, чем трубчатые.

Значения КПД зависят от качества изготовления солнечного коллектора. График демонстрирует эффективность различных систем, основываясь на температурной разнице.

Выбирая солнечный коллектор, следует обратить внимание на ряд параметров, которые демонстрируют его эффективность и мощность.

Некоторые важные характеристики солнечных коллекторов:

• коэффициент адсорбции — соотношение поглощенной энергии к общей;
• коэффициент эмиссии — соотношение переданной энергии к поглощенной;
• общая и апертурная площадь;
• КПД.

Апертурная площадь представляет собой рабочую поверхность солнечного коллектора. Для плоского коллектора она максимальна и равна площади абсорбера.

Способы подключения к системе отопления

Поскольку солнечные устройства не могут обеспечить постоянное и круглосуточное энергоснабжение, необходима система, учитывающая эти недостатки.

Для средней части России солнечные устройства не могут гарантировать стабильно высокий уровень энергии, поэтому они используются как вспомогательная система. Интеграция в существующие системы отопления и горячего водоснабжения имеет свои отличия для солнечного коллектора и солнечной батареи.

Схема с водяным коллектором

В зависимости от назначения теплового коллектора применяются различные схемы подключения. Возможны несколько вариантов:

1. Летний вариант для горячего водоснабжения
2. Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения

Летний вариант является наиболее простым и иногда не требует циркуляционного насоса, обходясь естественной циркуляцией воды.

Вода нагревается в солнечном коллекторе и благодаря тепловому расширению направляется в накопительный бак или бойлер. При этом происходит естественная циркуляция: холодная вода поступает на место горячей воды в баке.

Зимой при отрицательных температурах невозможно прямое нагревание воды. В закрытом контуре циркулирует специальный антифриз, который обеспечивает передачу тепла от коллектора к теплообменнику в баке.

Подобная система, основанная на естественной циркуляции, не всегда эффективна и требует соблюдения необходимых углов наклона. К тому же, бак должен находиться выше солнечного коллектора. Чтобы вода дольше оставалась горячей, бак требует качественного утепления.

Если вы хотите добиться наилучших результатов работы солнечного коллектора, нужно будет усложнить схему подключения.

Чтобы предотвратить остывание коллектора ночью, необходимо принудительно прекращать циркуляцию воды.

В системе солнечного коллектора циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительной циркуляцией управляет насос, контролируемый контроллером.

Контроллер обеспечивает работу циркуляционного насоса, основываясь на показаниях, как минимум, двух температурных датчиков. Первый датчик фиксирует температуру в накопительном баке, а второй — на трубе подачи горячего теплоносителя от солнечного коллектора.

Когда температура в баке превышает температуру теплоносителя в коллекторе, контроллер отключает насос, прерывая циркуляцию. В свою очередь, при понижении температуры в накопительном баке до определенного значения включается отопительный котел.

Системы с вакуумными трубками стали новым и эффективным решением в качестве альтернативы традиционным солнечным коллекторам с теплоносителем. Мы предлагаем ознакомиться с принципами их работы и устройством.

Схема подключения солнечной батареи

Идея реализовать подключение солнечной батареи к электросети, подобно тому, как это делается с солнечными коллекторами, выглядит интересной. Однако, к сожалению, для обеспечения частного дома блоком аккумуляторов с необходимой емкостью потребуются значительные инвестиции. Таким образом, процесс подключения происходит следующим образом.

Когда мощность электрического тока, поступающего от солнечной батареи, снижается, система АВР (автоматическое включение резерва) переключает потребителей на общую электросеть.

Энергия, которую вырабатывают солнечные панели, передается на контроллер заряда. Этот контроллер выполняет несколько ключевых функций: он обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Затем электрический ток поступает к инвертору, где происходит преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.

К сожалению, наши электросети не предназначены для приема энергии и могут работать лишь в одном направлении — от источника к потребителю. В связи с этим вы не сможете продавать избыточную электроэнергию или даже заставить счетчик двигаться в обратном направлении.

Преимущества солнечных батарей заключаются в том, что они могут генерировать более универсальную форму энергии, однако по эффективности они уступают солнечным коллекторам. Тем не менее, солнечные коллекторы не обладают способностью накапливать энергию, как это делают фотоэлектрические батареи.

Галерея изображений

Рабочая часть солнечных батарей состоит из множества последовательно соединенных кремниевых пластин.

Хотя внешне солнечные батареи могут напоминать закрытые плоские коллекторы, их принцип работы значительно отличается.

Батареи на основе фотоэлектрических элементов генерируют электроэнергию, что позволяет использовать ее для нагрева теплоносителя или питания электрических обогревателей.

Для сборки солнечной панели недостаточно только подручных материалов; необходимо приобрести кремниевые пластины.

Если вас интересует установка солнечных батарей для отопления дома, в данной статье вы найдете всю необходимую информацию.

Пример расчета необходимой мощности

При определении необходимой мощности солнечного коллектора часто допускаются ошибки, если учитывать солнечную энергию только в самые холодные месяцы года.

Проблема в том, что в оставшиеся месяцы система будет перегреваться. В течение лета температура теплоносителя на выходе из солнечного коллектора может достигать 200°C при нагреве пара или газа, 120°C при использовании антифриза и 150°C для воды. Если теплоноситель закипит, некоторая его часть испарится, и его потребуется заменить.

Производители рекомендуют ориентироваться на следующие показатели:

• не более 70% для горячего водоснабжения;
• не более 30% для отопления.

Остальную часть необходимого тепла должно обеспечивать традиционное отопительное оборудование. Тем не менее, даже при таких пропорциях можно существенно снизить затраты на отопление и горячее водоснабжение — на среднем уровне это около 40% в год.

Выработка энергии одной трубкой вакуумной системы зависит от географического положения. Показатель солнечной энергии, попадающей на 1 квадратный метр земли за год, называют инсоляцией.

Зная длину и диаметр трубы, можно вычислить апертуру — полезную площадь поглощения. Затем применяем коэффициенты абсорбции и эмиссии для расчета годовой мощности одной трубки.

Стандартная длина трубки составляет 1800 мм, эффективная — 1600 мм, а диаметр — 58 мм. Апертура создается затененным участком, образуемым трубкой. Таким образом, площадь прямоугольника тени будет равна:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 м²

Коэффициент полезного действия (КПД) средней трубки составляет 80%, а солнечная инсоляция для Москвы равна примерно 1170 кВт*ч/м² в год. Таким образом, одна трубка будет производить в год:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 кВт*ч

Важно понимать, что это ориентировочный расчет. Фактическая выработка энергии зависит от множества факторов, включая угол установки, направление, среднегодовую температуру и другие аспекты.

Все виды альтернативных источников энергии и их применение будут рассмотрены в данной статье.

Выводы и полезные видео

Видео #1. Пример работы солнечного коллектора зимой:

Видео #2. Сравнение различных моделей солнечных коллекторов:

С увеличением потребления энергии человечество ищет способы эффективного использования бесплатного солнечного света. Хотя попытки применять солнечную энергию существуют давно, лишь недавно стало возможным эффективно использовать солнечные технологии в наших широтах. Явно видно, что за солнечными системами — будущее.

Если у вас есть интересные факты или особенности организации солнечного отопления загородного дома или дачи, пожалуйста, оставляйте комментарии в блоке ниже. Здесь же можно задать вопросы, поделиться фотографиями процесса установки и обменяться полезной информацией.