Все про солнечные системы отопления: виды, схемы обустройства, как сделать своими руками

Пример расчета необходимой мощности

При расчете необходимой мощности солнечного коллектора очень часто ошибочно производят вычисления, исходя из поступающей солнечной энергии в самые холодные месяцы года.

Дело в том, что в остальные месяцы года вся система будет постоянно перегреваться. Температура теплоносителя летом на выходе из солнечного коллектора может достигать 200°С при нагреве пара или газа, 120°С антифриза, 150°С воды. Если теплоноситель закипит, он частично испариться. В результате его придется заменить.

Компании производители рекомендуют исходить из таких цифр:

обеспечение горячего водоснабжения не более 70%;
обеспечение отопительной системы не более 30%.

Остальное необходимое тепло должно вырабатывать стандартное отопительное оборудование. Тем не менее при таких показателях в год экономится в среднем около 40% на отоплении и горячем водоснабжении.

Мощность вырабатываемая одной трубкой вакуумной системы зависит от географического местоположения. Показатель солнечной энергии падающей в год на 1 м2 земли называется инсоляцией.

Зная длину и диаметр трубки, можно высчитать апертуру – эффективную площадь поглощения. Остается применить коэффициенты абсорбции и эмиссии для вычисления мощности одной трубки в год.

Пример расчета:

Стандартная длина трубки составляет 1800 мм, эффективная – 1600 мм. Диаметр 58 мм. Апертура – затененный участок создаваемый трубкой. Таким образом площадь прямоугольника тени составит:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928м2

КПД средней трубки составляет 80%, солнечная инсоляция для Москвы составляет около 1170 кВт*ч/м2 в год. Таким образом одна трубка выработает в год:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86кВт*ч

Необходимо отметить, что это очень приблизительный расчет. Количество вырабатываемой энергии зависит от ориентирования установки, угла, среднегодовой температуры и т.д.

С всеми видами альтернативных источников энергии и способами их использования вы сможете ознакомиться в представленной статье.

Совмещение гелиоэнергии и стационарной сети

Планируя использовать электроэнергию от солнца параллельно с обустроенной централизованной стационарной сетью, схему подключения делают несколько иной. И основная причина такого решения в том, что у частного потребителя нет возможности «сбрасывать» оставшуюся энергию.

А это может спровоцировать перепады напряжения длительностью до одной секунды.

При совмещении солнечной электроэнергии со стационарной централизованной сетью руководствуются все тем же правилом: чем больше источников подключается, тем сложнее становится схема

Согласно выше приведенной схеме, напряжение от гелиополя первым делом направляется в сторону АКБ, а уже оттуда и передается на нагрузку.

Проектируя такой вариант монтажа в расчет стоит брать два вида нагрузки:

не резервируемая – свет в доме, бытовая техника и пр.;
резервируемая – аварийное освещение, холодильник, электрический котел.

Учитывайте: чем больше емкость аккумулятора, тем больше проработают в автономном режиме резервируемые электроприборы.

Выбирая такой способ генерации энергии в сеть, будьте готовы к тому, что придется оформлять разрешение в местных энергосетях.

Несмотря на то, что инверторы для солнечных батарей вырабатывают напряжение, качество которого порой выше того, что в централизованной сети, местные энергосети не дают добро на то, чтобы электросчетчик вращался в обратную сторону.

По этой причине согласно схеме солнечные инверторы прекращают работу в момент пропадания напряжения в сети. А резервируемая нагрузка начинает «запитываться» от АКБ.

Почему на крышах наших домов не видно гелиоустановок

Интернет пестрит рекламными материалами с красивыми картинками, повествующими о необычайной выгоде гелиосистем. Народные умельцы выкладывают в youtube ролики на тему «отопление от солнца своими руками» о собственных ноу-хау, собранных на коленке из подручных материалов. Сеть пухнет от перепостов восторженных статей, рассказывающих о чудесных преимуществах солнечного отопления. Однако, много ли домов с солнечными коллекторами на крыше появилось за последние годы поблизости от вашего дома? Ни одного? В чём же причины того, что отопление солнечной энергией в наших краях не находит признания?

К сожалению, солнечная энергия для отопления домапоступает не тогда и не туда, когда и куда нужно. Холодно бывает ближе к полюсам, зимой и по ночам. А максимум солнечного излучения приходится на экваториальные районы, на лето и день. Теплоаккумуляторы худо-бедно помогают сгладить суточные, но не сезонные перепады.

Карта интенсивности распределения солнечного света по территории России. В Западной части страны, где живёт львиная доля населения, солнца мало. А в восточной Сибири, где доля излучения заметно выше, холодно, что затрудняет использование активных систем. Кстати, солнечные панели, вырабатывающие электричество, не столь чувствительны к сильным морозам. В холодной, но солнечной Якутии уже построены и успешно функционируют довольно мощные гелиоэлектростанции.

Пассивное отопление солнечной энергией малоэффективно и не способно сколь-нибудь серьёзно обогреть дом в условиях русской зимы. «Окна — на юг» — реально полезный метод проектирования, ничего не стоящий, но помогающий оптимизировать расходы на отопление. А вот некогда относительно популярные в США гелиотеплицы, стены Тромба и их производные постепенно сошли на нет даже у себя на родине.

Активные солнечные системы отопления частного дома обходятся весьма недёшево, немало денег придётся отдать за оборудование. Эксплуатация, вопреки некоторым утверждениям, отнюдь не бесплатна: расходуется электроэнергия, требуется обслуживание техники. При нынешних ценах, по сравнению не только с дешёвым природным газом, но даже с довольно дорогими пеллетами, дизтопливом, установка вакуумного солнечного коллектора на подавляющей части территории РФ не окупится вообще никогда, срок окупаемости превышает срок службы оборудования. Лишь в некоторых южных регионах страны солнечные системы отопления частного дома могут быть не убыточны при определённых условиях.

Научная станция на острове Ольхон (Россия). Применение вакуумных коллекторов (справа на крыше) для приготовления горячей воды и гелиопанелей (слева) для выработки электроэнергии имеет смысл, ведь центральных коммуникаций на этом скалистом байкальском острове нет. Однако для полноценного отопления в климате Бурятии солнечных систем недостаточно, греют дом «нормальные» печи, топливо для которых завозят с «большой земли», ведь изводить местный лес на дрова нельзя

Солнечные батареи для отопления

Использование солнечных батарей для обустройства отопительной системы имеет ряд нюансов. Все дело в том, что такие устройства главным образом предназначены для сбора энергии, которая в дальнейшем преобразуется в электрическую. Чтобы сделать отопление на солнечных батареях, нужно будет собрать систему, подключенную к накопительному баку – именно в этом элементе конструкции будет осуществляться разогрев теплоносителя.

Чтобы понять, можно ли выгодно использовать солнечные батареи для отопления дома зимой, нужно рассмотреть виды данных устройств, их эксплуатационные особенности и способы использования.

Активное отопление солнечный свет собирают вакуумные коллекторы

Воздушный солнечный коллектор

Воздушный солнечный коллектор, оснащённый системой принудительной передачи и распределения энергии, способен дать намного больше тепла по сравнению с пассивным вариантом. Скорость циркуляции воздуха автоматически регулируется в зависимости от температуры в доме и степени нагрева коллектора. Нагретый в коллекторах воздух может поступать в систему вентиляции или помещения напрямую. Если его температура достаточно высока, он может использоваться и для нагрева жидкого теплоносителя. Излишки дневной энергии запасают на ночь в теплоаккумуляторах.

Солнечное воздушное отопление на основе гелиоколлектора. Из пустотелой панели (1) по воздушным каналам (6) вентилятор гонит воздух в техническое помещение, где автоматика в зависимости от ситуации распределяет его в блок воздухоподготовки (3) либо массивный теплоаккумулятор (2). Параллельно может нагреваться и змеевик горячего водоснабжения (5). Днём, когда помещения нуждаются в нагреве, система работает в режиме В, тёплый воздух из коллектора направляется в комнаты. При достижении необходимой температуры в доме воздушный поток перенаправляется в теплоаккумулятор, режим А. Ночью, когда коллектор не даёт тепла, заслонка закрывает канал, ведущий к нему, циркуляция осуществляется между теплоаккумулятором и помещениями.

Вакуумный солнечный коллектор

Наиболее совершенное на сегодняшний день устройство для гелиоотопления.

Принципиальная схема вакуумного солнечного коллектора. Жидкий абсорбер, циркулирующий по U-образным трубкам, при нагревании испаряется и поднимается вверх, в коллектор. Последний подсоединён к контуру системы отопления и по нему, в свою очередь, циркулирует жидкий теплоноситель. Абсорбер отдаёт энергию теплоносителю, остывает, конденсируется, опускается вниз. Цикл повторяется

Солнечное отопление загородного дома на основе вакуумных коллекторов значительно эффективнее других гелиосистем, однако, помимо традиционной для гелиосистем неравномерности генерации тепла, у него имеется ещё три существенных недостатка: на сильном морозе теплоотдача резко падает, установки хрупки и дорого стоят.

Вакуумные солнечные коллекторы следует устанавливать таким образом, чтобы они были защищены от вандалов. Это особенно актуально для нашей страны, попасть камешком в стеклянную трубочку — милое дело

Вакуумные панели не подключают к системе отопления напрямую. Необходимы, как минимум, буферные ёмкости, которые будут сглаживать неравномерность выработки тепла.

«Правильная» схема подключения вакуумного гелиоколлектора к системе отопления. Тепло передаётся не напрямую, а через теплообменник, дневные излишки тепла на ночь запасаются в теплоаккумуляторе (буферном баке)

Обратите внимание, что на схеме изображён «нормальный» отопительный котёл, солярная система лишь дополняет его

Электрические солнечные панели можно использовать для отопления лишь косвенно. Расходовать электроэнергию на нагрев помещений напрямую неразумно, ей можно найти более рациональное применение. Например, направить на работу вентиляторов и автоматики активных гелиосистем.

Схема устройства солнечной электростанции

Рассмотрим, как устроена и работает гелиосистема для загородного дома. Главное ее назначение – преобразовать энергию солнца в электричество 220 В, которое является основным источником питания для домашних электроприборов.

Основные части, из которых состоит СЭС:

Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.
Контроллер, регулирующий заряд АКБ.
Блок аккумуляторных батарей.
Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

Конструкция батареи продумана таким образом, что позволяет оборудованию функционировать в различных погодных условиях, при температуре от -35ºС до +80ºС.

Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии – в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. В пасмурную эффективность работы резко снижается.

Эффективность СЭС в средних широтах велика, но не настолько, чтобы полностью обеспечивать электричеством большие дома. Чаще гелиосистема рассматривается как дополнительный или резервный источник электроэнергии

Вес одной батареи на 300 Вт равен 20 кг. Чаще всего панели монтируют на крышу, фасад или специальные стойки, установленные рядом с домом. Необходимые условия: разворот плоскости в сторону солнца и оптимальный наклон (в среднем 45° к поверхности земли), обеспечивающий перпендикулярное падение солнечных лучей.

При возможности устанавливают трекер, отслеживающий движение солнца и регулирующий положение панелей.

Верхняя плоскость батарей защищена закаленным противоударным стеклом, которое легко выдерживает удары града или тяжелые снежные наносы. Однако необходимо следить за целостностью покрытия, иначе поврежденные кремниевые пластины (фотоэлементы) перестанут работать

Контроллер выполняет насколько функций. Кроме основной – автоматической регулировки заряда АКБ, контроллер регулирует подачу энергии от солнечных батарей, предохраняя тем самым аккумулятор от полной разрядки.

При полном заряде контроллер автоматически отключает АКБ от системы. Современные устройства оборудованы панелью управления с дисплеем, показывающим напряжение батарей.

Для самодельных гелиосистем лучшим выбором являются гелевые аккумуляторы, отличающиеся сроком бесперебойного функционирования 10-12 лет. После 10-летней работы их емкость уменьшается примерно на 15-25 %. Это необслуживаемые и абсолютно безопасные устройства, не выделяющие вредных веществ.

Зимой или в пасмурную погоду панели также продолжают работать (если их регулярно очищать от снега), но выработка энергии снижается в 5-10 раз

Задача инвертеров – преобразовывать постоянное напряжение от АКБ в переменное напряжение 220 В. Они отличаются такими техническими характеристиками, как мощность и качество получаемого напряжения. Синусовое оборудование способно обслуживать наиболее «капризные» к качеству тока приборы – компрессоры, бытовую электронику.

Обзор бытовой СЭС:

Стоит знать, что бытовые электростанции способны обслуживать постоянно работающий холодильник, периодически запускаемый погружной насос, телевизор, систему освещения. Чтобы обеспечить энергией функционирование котла или даже микроволновки, потребуется более мощное и очень дорогое оборудование.

Простейшая схема солнечной электростанции, включающая главные составные элементы. Каждый из них выполняет свою функцию, без которой работа СЭС невозможна

Существуют и другие, более сложные схемы сборки солнечных электростанций, однако данное решение является универсальным и наиболее востребованным в быту.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Использование солнечной энергии в мире

Комплекс солнечных батарей в ГерманииМногие государства всерьёз задумались о масштабном производстве и использовании солнечной энергии.

Лидерами по производству энергии с помощью солнечных батарей являются США, Япония и Германия.

Производство солнечной энергии получает своё развитие и в России.

В настоящее время в РФ уже построено следующее количество установок по производству солнечной энергии:

Краснодарский край – 46 ед.;
Дагестан – 8 ед.;
Ставропольский край – 2 ед.;
Бурятия, Хабаровский край, Костромская область – по 1 ед.

Бурное развитие данной отрасли во всем мире оставляет надежду на то, что в будущем этот неисчерпаемый источник экологичной энергии станет основным для населения планеты.

Смотрите видео, в котором подробно рассказывается об устройстве и производстве солнечных панелей:

Элементы для улучшения работы

СБ на солнечном трекереДля организации более эффективной работы фотоэлементов в конструкции солнечной батареи используют диод Шоттки.

Он представляет собой диод полупроводникового типа, который имеет меньше по сравнению с другими конструкциями падение напряжения при включении напрямую.

Он работает на основе использования перехода p-n типа в среде “металл-проводник”. Сравнение с кремниевыми диодами показывает, что прямое напряжение снижается в среднем с 0,65 В до 0,35 В, что способствует росту КПД системы.

Для более эффективного попадания солнечного света на поверхность батареи разработано и используется специальное устройство – солнечный трекер. Данное устройство предназначено для слежения за движением Солнца и поворота солнечной панели (батареи) таким образом, чтобы на её поверхность попадало как можно больше солнечных лучей (оптимизация угла падения лучей).

Для более рационального соединения двух и более панелей солнечных батарей и получения нужного сопротивления в такой системе используются специальные сертифицированные коннекторы, например МС4 Т (male+female).

Принцип работы солнечных батарей

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

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.

Для того чтобы получать около 500кВт тепла в месяц, нужно чтобы в месяце было около 20 солнечных дней.

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.

Трубчатая коллекторная установка

По принципу работы трубчатые солнечные тепловые панели схожи с плоскими аналогами, но есть одно заметное различие – заполненные теплоносителем трубки располагаются внутри стеклянных колб. В системе могут использоваться перьевые трубки, закрытые с одной стороны, и коаксиальные, которые вставляются друг в друга и запаиваются с обеих сторон.

Также стоит отметить используемые виды теплообменников:

Система преобразования солнечной энергии в тепловую Heat-pipe;
Стандартные трубки для перемещения воды U-type.

Второй тип теплообменников считается более эффективным, но у него есть серьезный недостаток – высокая стоимость ремонта, которая обусловлена необходимостью замены целого блока при повреждении одной трубки. С трубками первого типа в этом плане гораздо проще, поскольку они независимы друг от друга, что позволяет при необходимости заменять каждый отдельный элемент конструкции.

Изобретение

Инсолятор О. МушоПервым, кто смог экспериментально обнаружить взаимодействие между светом и электрической энергией, был знаменитый немецкий физик Генрих Герц. Также известно, что явление, аналогичное открытому позднее фотоэффекту наблюдал и исследовал в 1839 г. Эдмон Беккерель.

Он сумел выяснить, что ультрафиолет значительно способствует возникновению и прохождению разряда между двумя проводниками электрической энергии. Однако, проведя ряд экспериментов, Герц не стал больше развивать эту тему.

Первую в мире, работоспособную схему по выработке и передаче электрической энергии с применением лучей света произвёл русский учёный из Москвы Александр Столетов. Он создал прообраз первого в мире фотоэлемента.

Француз Огюст Мушо в конце позапрошлого столетия сумел создать систему, при которой сфокусированные и преобразованные солнечные лучи приводили в движение печатную машину.

Это привело к появлению первых фотоэлементов на основе селена (Se – 34), а затем и таллия (Tl – 81). В 1930 гг. учёными-физиками Академии наук СССР был создан медно-таллиевый (Cu-Tl) фотоэлемент с наибольшим для тех времён КПД в 1%.

Появившиеся позднее фотоэлементы на основе Кремния (Si-14) имели в 6 раз больший КПД. В 1953 г. была разработана первая в мире солнечная батарея. Спустя всего 5 лет учёные СССР установили первые солнечные батареи на искусственный спутник Земли №3.

Третий искусственный спутник Земли (СССР, 15 мая 1958 г.) с солнечными батареями.В 1970-х гг. прошлого века учёные выяснили, что полупроводники лучше многих металлов образуют электрический ток из света. С тех пор появилось множество новых видов и материалов для производства солнечных батарей.

Именно открытие фотоэффекта, произведённое А. Эйнштейном, и привело к возникновению и развитию индустрии солнечных батарей.