Как правильно выбрать и установить систему отопления дома от солнечной энергии

Дата публикации: 6 декабря 2018

Не секрет, что львиная доля коммунальных услуг уходит на оплату электричества, отопления и горячего водоснабжения. Добыть энергию из невозобновляемых источников — задача не из легких. Нет такой страны, где отопление стоило бы дешево. Поэтому многие жители северных и южных регионов обращают внимание на возможность использования солнечной энергии для отопления. Использовать солнечные лучи для бытовых нужд хотел бы любой владелец частного дома. Энергия, добытая таким способом, абсолютно бесплатна и неиссякаема.

Однако не все так просто. Для одной лампочки не нужна большая мощность. Но для семьи из трех человек необходимо от 200 до 500 квт в месяц на бытовые приборы. Насколько реально оснастить свой дом современной системой отопления на основе солнечных батарей? Для начала рассмотрим плюсы и минусы альтернативного отопления.

Преимущества и недостатки отопления солнечной энергией

Кроме экономии средств, на какие еще достоинства можно обратить внимание?

• Энергонезависимость. Вы не зависите от цен на газ, нефть или уголь. Экономическая конъюнктура в стране также не влияет на количество тепла в доме.
• Экологичность и безопасность. Не нужно опасаться утечки газа или отходов от применения обычных видов топлива.
• Установка не требует специальных разрешений или согласований.

К недостаткам следует отнести следующие:

• большие вложения на первых порах. Обычно система отопления окупается за 3-4 года. Но оборудование стоит недешево. Один модуль может стоить в пределах от 2200 до 17000 рублей. Так как мощность должна быть высокой, то количество панелей должно быть внушительным. Подсчитано, что на установку альтернативной системы отопления может уйти до 200000 р.;
• зависимость от географического положения и времени года. В средней полосе России использование солнечной энергии для отопления жилого дома оправдано с апреля по сентябрь. В этот период на 90% покрывается потребность в энергии. Зимой в отопительный сезон с ноября по март — только на 10 — 50%. Все дело в количестве солнечных дней в году — их должно быть не менее 200;
• издержки эксплуатации. Необходимо следить за состоянием коллекторов и батарей. Чистка, замена деталей может отнять много времени, сил и повлечь дополнительные расходы;
• в некоторых случаях необходимо оборудовать солнечные батареи системами слежения.

Несмотря на недостатки, альтернативные способы солнечного нагрева воды для отопления завоевывают все большую популярность. Они долговечны и быстро окупаются.

Специалисты советуют разрабатывать систему отопления на солнечных батареях еще до постройки дома, включая его в проект. Какие же материалы и оборудование лучше всего использовать при установке своего “солнечного отопления”?

Солнечные батареи

Принцип работы батарей для нагрева воды солнечной энергией основан на поглощении света фотоэлементами. Они преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток, который затем подается на инвертор. Здесь постоянный ток преобразуется в переменный. Все бытовые приборы и электрический водонагреватель работают на переменном токе. Аккумулятор накапливает поступающую энергию для использования ночью или в пасмурные дни.

Энергонезависимый дом можно узнать по крыше, покрытой фотоэлектрическими панелями. Один квадратный метр модуля производит 120-250 Вт. Для того чтобы обеспечить электричеством дом, необходимо покрыть панелями 25 кв.м. площади. Для отопления необходимо еще больше энергии. Так что не только крыша дома, но и дополнительные постройки необходимы для достижения нужной мощности.

Солнечные батареи на кремниевых полупроводниках обычно используются в “солнечных” регионах. Но не только о странах ближе к экватору идет речь. В северных широтах, например, на Чукотке, использовать фотоэлементы очень эффективно из-за большого количества солнечных дней.

Нагрев воды с помощью солнечной энергии происходит в специальном баке. При достижении нужной температуры горячая вода вытесняет холодную и заполняет отопительную систему.

Главный недостаток в том, что солнечные батареи не позволяют непосредственно преобразовать энергию солнца в тепло. Для этой цели используют гелиоколлекторы.

Солнечные коллекторы

В случае с гелиоколлекторами солнечные лучи воздействуют не на полупроводник, а на теплоноситель. Он нагревается и отдает тепло системе отопления. Так происходит отопление солнечной энергией. Различают два вида коллекторов:

• Плоские солнечные коллекторы оснащены системой трубок, подсоединенных к специальной пластине. Теплоноситель из воды и гликоля проходит по трубкам, нагревается и идет на выход. Преимущество этого вида коллекторов состоит в том, что их можно сделать своими руками. Однако, при всей простоте, подходит этот вариант для южных регионов. Вода нагревается до 45-60 градусов максимум. Для холодных зим этого недостаточно.
• Трубчатые коллекторы подходят для северных широт. Змейка из трубок оснащена надежной теплоизоляцией. Потерь тепла не происходит, как в случае с плоскими аналогами. Система теплообменных трубок также различается. Обычная система U-type считается более надежной, но не работает ночью. Система Heat-pipe идеально подходит для стран с постоянными туманами и суровыми зимами, так как требует незначительного количества солнечной энергии. Но нужно уточнить, какое вещество используется в системе. Так как производительность может отличаться. Оба вида коллекторов используют насос. Носитель тепла может двигаться самотеком. Но эффективность солнечного нагрева воды для отопления в этом случае низкая.

При выборе того или иного способа солнечного отопления не стоит забывать о том, что полностью избавиться от традиционных методов обогрева вряд ли получится. Разумнее всего использовать комбинированные варианты.

Правильный выбор системы отопления солнечной энергией

Солнечные батареи можно совмещать с гелиоколлекторами. Фотоэлементы подойдут для выработки электричества для насоса и бытовых приборов. Более мощные солнечные коллекторы полностью покроют потребность в теплоснабжении.

Газовый котел необходимо оставить как резервный вариант. В некоторых случаях альтернативное отопление может стать дополнением к основному методу отопления, а не наоборот. Например, в случае поломки.

Существует вариант сделать отопление от солнечной энергии своими руками. Но количество солнечных дней не всегда соответствует действительности. Величина инсоляции для каждого региона известна, но полагаться на метеослужбу опасно.

Поэтому перед установкой альтернативной системы теплоснабжения необходимо тщательно продумать все детали. В этом могут помочь специалисты в этой сфере. С их помощью можно найти оптимальное решение.

• Тонкопленочная технология отвоевывает позиции на рынке солнечной энергетики
• Солнечная энергетика захватывает новые стихии
• Ложка дегтя в бочке с солнечными батареями
• Какая жизнь без света?

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Можно ли применить солнечные батареи для отопления дома

Полупроводниковые панели, преобразующие энергию солнца в электричество, обычно устанавливаются с одной целью – обеспечить работу домашних бытовых приборов. Настоящие энтузиасты на достигнутом не останавливаются и пытаются приспособить солнечные батареи для отопления дома. Предлагаем обсудить эту идею, рассмотреть возможные способы обогрева с помощью фотоэлектрических панелей. Рентабельность электростанций альтернативной энергетики и прочие финансовые вопросы разбирать нет смысла, это отдельная тема.

Как работает солнечная электростанция

Мы не собираемся отнимать ваше время и рассказывать, как полупроводниковые модули генерируют ток. Но если вы хотите организовать солнечное отопление частного дома, нужно представлять принцип работы фотоэлектрической станции и знать все нюансы, влияющие на ее мощность.

Солнечная энергетическая установка (СЭС) состоит из следующих элементов (показаны ниже на схеме):

• одна либо несколько панелей, воспринимающих излучение солнца;
• аккумуляторные батареи (АКБ), накапливающие произведенную электроэнергию;
• контроллер следит за уровнем заряда, направляет ток в нужную цепь;
• инвертор преобразует постоянное напряжение солнечных батарей в переменный ток 220 В.

Интересный момент. Цена модулей составляет не более 30% от стоимости полного комплекта оборудования. Остальные 70% – это аккумуляторы, инверторный блок и контроллер. Комплектующие подбираются под одно рабочее напряжение 12, 24 или 48 вольт.

Упрощенно поясним алгоритм работы системы:

1. В течение светового дня батареи вырабатывают ток, проходящий через контроллер.
2. Электронный блок оценивает уровень заряда АКБ, затем направляет энергию в нужную линию – на зарядку либо потребителям (к инвертору).
3. Инверторный блок преобразует постоянный ток в переменный со стандартными параметрами – 220 В / 50 Гц.

Существует 2 типа контроллеров – ШИМ и MPPT. Разница между ними состоит в способе зарядки элементов электропитания и величине потерь напряжения. Блоки MPPT более современные и экономичные. Аккумуляторы применяются разные: свинцово-кислотные, гелевые и так далее.

В состав СЭС входят специальные АКБ, не боящиеся глубокого разряда

Если планируется использование нескольких модулей, то они соединяются между собой 3 способами:

1. Параллельная схема подключения позволяет нарастить ток в цепи. «Минусовые» контакты всех батарей присоединяются к одной линии, «плюсовые» – к другой. Напряжение на выходе остается неизменным.
2. Применение последовательной схемы дает возможность увеличить выходное напряжение. «Минусовая» клемма первой панели соединяется с «плюсом» второй и так далее.
3. Комбинированный способ применяется, когда нужно изменить оба параметра – силу тока и напряжение. Несколько модулей соединяется последовательно, потом группа подключается к общей сети параллельно другим аналогичным группам.

Как выглядят солнечные панели для дома и сопутствующее оборудование, расскажет мастер-электромонтажник на видео:

Сколько нужно солнечных батарей для отопления дома

Казалось бы, все просто. На обогрев небольшого загородного коттеджа площадью 100 м² пойдет приблизительно 10 кВт = 10 000 Вт тепловой энергии. Это 100 панелей по 0.1 кВт или 34 больших модуля по 300 Вт. Столько батарей на крышу дома не поставишь, а о квартире и речи нет.

Справка. Размер 1 фотоэлектрического элемента мощностью 100 Вт, изготовленного по поликристаллической технологии, составляет около 1020 х 700 мм или 0.71 м². Аналогичная батарея на 300 Вт займет 1.68 м² (170 х 99 см).

Сразу оговоримся, полученный результат – неправильный, поскольку не учитывает особенности эксплуатации солнечных энергетических систем:

Фотоэлектрический модуль выдает максимальную мощность, когда лучи падают под углом 90° к плоскости батареи. Если не сделать трекер – следящий механизм, поворачивающий панель вслед за движением солнца, потеряем около 40% энергии. С другой стороны, подобное устройство тоже расходует электричество.

Трекер поворачивает модули вслед за светилом, обеспечивая угол падения лучей 90°

Величина солнечного излучения на 1 м² – инсоляция – зависит от региона проживания, высоты над уровнем моря, затененности участка. Перечисленные факторы напрямую влияют на производительность батарей.

С течением времени полупроводниковое покрытие модулей деградирует, в результате теряется примерно 1% электрической мощности ежегодно.

Если фотоэлектрический слой перегревается солнцем, производительность панели тоже уменьшается.

Малая толика энергии теряется в сопутствующем оборудовании – инверторах, контроллерах, АКБ. Это банальный нагрев деталей – трансформаторов, микросхем и прочих элементов.

Когда рабочая поверхность загрязняется пылью либо засыпается снегом, возникают дополнительные потери.

Заметьте, для отопления солнцем зимой вырабатываемого электричества должно хватать на обогрев дома и зарядку аккумуляторов на ночь.

Вывод. Универсального расчета электрической мощности батарей, подходящего ко всем странам и регионам, не существует. Но озвученную выше цифру 10 кВт нужно удвоить (как минимум), чтобы получить пристойный результат на практике. Понадобится от 200 стоваттных панелей, занимающих площадь свыше 140 м².

Есть надежный способ получить точные данные по инсоляции и рассчитать производительность солнечных батарей – обратиться в местную организацию, занимающуюся их монтажом. Либо самому изучать карту инсоляции района.

На карте видно, что центральные регионы РФ получают довольно мало радиации солнца – в среднем 3–3.5 кВт на метр квадратный за день

Предлагаем пойти другим путем – использовать опыт владельцев солнечных автономных электростанций, почитать их отзывы на тематических форумах. Отыщите там пользователей, проживающих в вашей местности, если хотите получить реальные цифры бесплатно. Приведем примеры:

1. Автономная система солнечного электроснабжения, расположенная в Ленинградской области, РФ. Установлено 6 панелей по 0.22 кВт (всего 1.32 кВт), пиковая мощность в зимний безоблачный день – 1157 Вт. Тема обсуждается на известном русскоязычном форуме.
2. г. Анапа, производительность батарей – 2.2 кВт, количество не указывается. За световой день электростанция генерирует порядка 9 кВт.
3. г. Москва, мощность СЭС 2.64 кВт. За весь июнь установка выработала 304 кВт энергии.

Примечание. Отзывы и другие полезные данные по эксплуатации СЭС вы найдете по этому адресу.

Обратите внимание: нами учитывалась только солнечная энергия для отопления, подогрев воды и прочие хозяйственные нужды в расчет не принимались. Как рассчитать число батарей на практике, смотрите в видеосюжете:

Реальные способы обогрева

Как вы поняли их вышесказанного, реализовать полноценное электрическое отопление дома солнечными батареями довольно сложно (и дорого). Далеко не каждый хозяин решится купить и установить панели на площади 100–150 м², дабы прогреть небольшой дом или дачу. Значит, схема электрокотел + водяная система + отопительные радиаторы отпадает.

Но идею обогрева солнечными модулями все же нельзя назвать утопией. Перечислим варианты, реализованные домовладельцами на практике:

• панели плюс инверторные кондиционеры с коэффициентом эффективности COP 3.5–4;
• подключение батарей напрямую к электрическим обогревателям без инвертора;
• строительство полноценной СЭС, продажа электроэнергии государству, вырученные средства идут на оплату традиционного отопления.

Дополнение. Применение панелей в качестве дополнительных источников энергии для основного отопления обсуждать нет смысла – это очевидное решение.

Начнем с третьего варианта, который интересен предпринимателям. В странах, где государством установлен так называемый зеленый тариф, домовладелец может получать электричество из возобновляемых источников и отдавать в общую энергетическую сеть, получая прибыль. То есть, домовладелец приобретает те же 200–300 солнечных панелей, но продает энергию по хорошей цене, а не расходует почем зря.

Большое количество батарей на крыше жилого дома не поместится, станцию большой мощности придется размещать на участке

Например, в Украине зеленый тариф превышает обычный в 3 раза (по состоянию на июнь 2019 г.). Необходимо выдержать 1 условие: минимальная производительность СЭС – 30 кВт. Строите электростанцию, поставляете энергию в сеть, а сами покупаете втрое дешевле.

Оставшиеся 2 варианта рассмотрим поподробнее.

Отопление кондиционерами

Способ основан на эффективности инверторных сплит-систем, доставляющих внутрь дома вчетверо больше тепла, чем затрачено электроэнергии. Как реализовать такое отопление:

1. Первым делом максимально снижаем теплопотери здания – утепляем стены, полы и крышу, устанавливаем энергосберегающие окна. Идеальный показатель теплопотребления для жилища 100 м² – 6 кВт.
2. Приобретаем 2 кондиционера с инверторными компрессорами, работающими при отрицательной уличной температуре. Суммарная производительность агрегатов должна равняться теплопотерям дома, в нашем случае – 6 кВт. Потребление таких «сплитов» не превысит 2 кВт.
3. Монтируем солнечную станцию, способную круглосуточно обеспечивать электричеством кондиционеры.
4. Для отопления в самые холодные сутки стоит установить любой традиционный источник тепла – котел, дровяную печь.

Тепловые насосы Mitsubishi Zubadan расходуют энергии еще меньше, чем кондиционеры, а тепла приносят вчетверо больше (COP = 4)

Видео в конце данного раздела подтверждает, что описанная схема вполне работоспособна. Один существенный минус: при отрицательной температуре эффективность кондиционеров резко снижается, без помощи котла не обойтись. В условиях умеренного и северного климата солнечные модули в одиночку не справятся.

Примечание. Большинство инверторных сплит-систем способны функционировать при морозе до —15 °C. Коэффициент эффективности COP снижается до 1.5–2 (тепла выделяется вдвое больше, чем потребляется электричества).

Использование местных обогревателей

Речь идет о значительном удешевлении системы в случае использования неприхотливых потребителей – обычных тепловентиляторов. Ввиду отсутствия инвертора к солнечным модулям придется подключать 12-вольтовые обогреватели (можно взять автомобильный либо сделать своими руками).

Как собрать солнечный генератор электроэнергии:

1. Устанавливаем нужное количество батарей с рабочим напряжением 12 вольт.
2. Соединяем их проводами 2.5 мм² согласно приведенной ниже схеме – без инвертора.
3. Подключаем нагрузку – маломощный тепловентилятор на 12 В.

Ниже на видео специалист подробно описывает все нюансы такого подключения. Способ годится для обогрева отдельных комнат тепловентиляторами 1–1.5 кВт. Отопить весь дом сложнее – нужно собирать несколько отдельных контуров с солнечными панелями, чтобы не увеличивать сечение проводов.

Заключительный вывод

Сделать полноценное отопление частного дома на солнечных батареях очень непросто. Единственный более-менее реалистичный сценарий – это применение сплит-систем, а лучше – геотермального теплового насоса, мало зависящего от уличной температуры. Установка потребляет мало электричества, поэтому сможет работать от домашней СЭС.

Мы специально исключили из статьи финансовые вопросы, поскольку речь шла о технических моментах. Но надо понимать, что оборудование солнечной энергетики – аккумуляторы, батареи, инверторы и блоки управления – стоят больших денег. Чтобы успешно решить задачу, нужно быть хорошо зарабатывающим энтузиастом.

Схема с вакуумными коллекторами, подключенными к косвенному водонагревателю, обойдется дешевле. Но в данном варианте есть свои трудности, например, аккумулирование тепла и стагнация коллектора при жаре. В нелегком деле освоения солнечной энергии нет простых решений.