Своими руками

Солнечное отопление частного дома своими руками

Соорудить солнечное отопление частного дома своими руками – не такая и сложная задача, как кажется неосведомленному обывателю. Для этого понадобятся навыки сварщика и материалы, доступные в любом строительном магазине.

Актуальность создания солнечного отопления частного дома своими руками

Получить полную автономию – мечта каждого владельца, затевающего частное строительство. Но действительно ли солнечная энергия способна отапливать жилой дом, особенно если устройство для ее накопления собрано в гараже?

Расчет мощности солнечного коллектора

В зависимости от региона солнечный поток может давать от 50 Вт/кв.м в пасмурный день до 1400 Вт/кв.м при ясном летнем небе. При таких показателях даже примитивный коллектор с низким КПД (45-50%) и площадью 15 кв.м. может выдавать в год около 7000-10000 кВт*ч. А это сэкономленные 3 тонны дров для твердотопливного котла!

Как рассчитать необходимую площадь солнечного коллектора для бытовых нужд:

• в среднем на квадратный метр устройства приходится 900 Вт;
• чтобы повысить температуру воды, необходимо затратить 1,16 Вт;
• учитывая также теплопотери коллектора, 1 кв.м сможет нагреть около 10 литров воды в час до температуры 70 градусов;
• для обеспечения 50 л горячей воды, необходимой одному человеку, понадобится затратить 3,48 кВт;
• сверившись с данными гидрометцентра о мощности солнечного излучения (Вт/кв.м) в регионе, необходимо 3480 Вт разделить на получившуюся мощность солнечного излучения – это и будет нужная площадь солнечного коллектора для нагрева 50 л воды.

Как становится понятно, эффективное автономное отопление исключительно с использованием солнечной энергии осуществить довольно проблематично. Ведь в хмурую зимнюю пору солнечного излучения крайне мало, а разместить на участке коллектор площадью 120 кв.м. не всегда получится.

Применение солнечных коллекторов

Так неужели солнечные коллекторы нефункциональны? Не стоит заранее сбрасывать их со счетов. Так, с помощью подобного накопителя можно летом обходиться без бойлера – мощности будет достаточно для обеспечения семьи горячей водой. Зимой же удастся сократить затраты на энергоносители, если подавать уже нагретую воду из солнечного коллектора в электрический бойлер.
Кроме того, солнечный коллектор станет отличным помощником тепловому насосу в доме с низкотемпературным отоплением (теплыми полами).

Так, зимой нагретый теплоноситель будет использоваться в теплых полах, а летом излишки тепла можно отправить в геотермальный контур. Это позволит снизить мощность теплового насоса.
Ведь геотермальное тепло не возобновляется, так что со временем в толще грунта образовывается все увеличивающийся «холодный мешок». Например, в обычном геотермальном контуре на начало отопительного сезона температура составляет +5 градусов, а в конце -2С. При подогреве же начальная температура поднимается до +15 С, а к концу отопительного сезона не падает ниже +2С.

Устройство самодельного солнечного коллектора

Для уверенного в своих силах мастера собрать тепловой коллектор не составит труда. Можно начать с небольшого устройства для обеспечения горячей воды на даче, а в случае успешного эксперимента перейти к созданию полноценной солнечной станции.

Плоский солнечный коллектор из металлических труб

Самый простой в исполнении коллектор – плоский. Для его устройства понадобится:

• сварочный аппарат;
• трубы из нержавеющей стали или меди;
• стальной лист;
• закаленное стекло или поликарбонат;
• деревянные доски для рамы;
• негорючий утеплитель, способный выдержать нагретый до 200 градусов металл;
• черная матовая краска, устойчивая к высоким температурам.

Сборка солнечного коллектора довольно проста:

Трубы свариваются в решетку – две горизонтальные большего диаметра, по которым будет подаваться теплоноситель, а между ними вертикальные меньшего диаметра – по которым теплоноситель будет циркулировать в процессе нагревания.

Собирается рама из досок по размеру сваренной решетки.

Трубы привариваются к стальному листу – он выступает в роли адсорбера солнечной энергии, поэтому прилегание труб должно быть максимально плотным. Все красится в матовый черный цвет.

На лист с трубами кладется рама так, чтобы трубы оказались с внутренней стороны. Просверливаются отверстия для входа и выхода труб. Укладывается утеплитель. Если используется гигроскопичный материал, нужно позаботиться о гидроизоляции – ведь намокших утеплитель больше не будет защищать трубы от охлаждения.

Утеплитель фиксируется листом ОСБ, все стыки заполняются герметиком.

Со стороны адсорбера кладется прозрачное стекло или поликарбонат с небольшим воздушным зазором. Оно служит для предотвращения остывание стального листа.

Фиксировать стекло можно с помощью деревянных оконных штапиков, предварительно проложив герметик. Он предотвратит попадание холодного воздуха и защитит стекло от сжатия рамы при нагревании и охлаждении.

Для полноценного функционирования коллектора понадобится накопительный бак. Его можно сделать из пластиковой бочки, утепленной снаружи, в которой спиралью уложен теплообменник, соединенный с солнечным коллектором. Вход нагретой воды должен располагаться сверху, а выход холодной – снизу.

Важно правильно разместить бак и коллектор. Чтобы обеспечить естественную циркуляцию воды, бак должен находиться выше коллектора, а трубы – иметь постоянный наклон.

Если же солнечный коллектор расположен на крыше дома, придется включить в систему насос, который обеспечит движение воды.

Солнечный нагреватель из подручных материалов

Если со сварочным аппаратом дружбу свести так и не удалось, можно сделать простой солнечный нагреватель из того, что под рукой. Например, из жестяных банок. Для этого в дне делаются отверстия, сами банки скрепляются друг с другом герметиком, на него же садятся в местах соединения с ПВХ-трубами. Красятся в черный цвет и укладываются в раму под стекло также, как и обычные трубы.

А вот работать с пластиковыми бутылками еще проще – достаточно нанизать их на покрашенные в черный цвет ПВХ-трубы.

Для улучшения нагревания в каждую бутылку вкладывается черная подложка, сами же бутылки создают парниковый эффект, так что не требуют накрывания стеклом.

Фасад дома из солнечных батарей

Почему бы вместо обычного сайдинга не отделать дом чем-то полезным? Например, сделав с южной стороны на всю стену солнечный нагреватель.

Такое решение позволит оптимизировать расходы на отопление сразу по двум направлениям – снизить затраты на энергоноситель и существенно сократить теплопотери за счет дополнительного утепления фасада.

Устройство просто до безобразия и не требует специальных инструментов:

• на утеплитель уложен окрашенный оцинкованный лист;
• поверх уложена нержавеющая гофрированная труба, также выкрашенная в черный;
• все прикрыто листами поликарбоната и зафиксировано алюминиевыми уголками.

Если же и этот способ кажется сложным, на видео представлен вариант из жести, полипропиленовых труб и пленки. Куда уж проще!

Отопление частного дома солнечными батареями: схемы и устройство

Причины популярности альтернативных источников энергии вполне объяснимы: существует возможность сэкономить на топливе и воплотить в жизнь мечты об экологически чистых системах жизнеобеспечения. Умело используя энергию солнца, ветра и воды, можно обыкновенный дачный домик превратить в современный экодом.

Мы расскажем, как в частном доме оборудовать отопление на солнечных батареях, разберем вместе с вами, насколько это выгодно. Для того чтобы досконально осветить вопросы применения энергии дневного светила, мы подробно описали все популярные варианты, получившие практическое применение и положительные отзывы пользователей.

С учетом наших рекомендаций вы сможете соорудить эффективную гелиосистему для дачи или загородного дома. Чтобы облегчить восприятие непростого материала, информацию мы дополнили наглядными схемами, иллюстрациями и видео-руководствами.

Способы использования солнечной энергии

Методы применения энергии небесного светила не относятся к инновационным технологиям, солнечное тепло используют давно и весьма успешно. Однако это касается, в основном, Австралии, некоторых стран Европы, Америки и южных регионов, где альтернативную энергию можно получать в течение всего года.

Некоторые северные области испытывают дефицит естественного излучения, поэтому его применяют в качестве дополнительного или запасного варианта.

Посредниками между солнечными лучами и образующим энергию механизмом являются солнечные батареи или коллекторы, которые отличаются и назначением, и конструкцией.

Батареи аккумулируют энергию солнца и позволяют использовать ее для питания бытовых электрических приборов. Они представляют собой панели с фотоэлементами с одной стороны и фиксирующим механизмом с другой. Можно поэкспериментировать и собрать батарею самостоятельно, но проще купить готовые элементы – выбор достаточно широк.

Гелиосистемы (солнечные коллекторы) являются частью отопительной системы дома. Большие теплоизолированные короба с теплоносителем, как и батареи, крепят на приподнятых щитах, обращенных к солнцу, или скатах крыши.

Для повышения эффективности панели помещают на динамические механизмы, напоминающие систему слежения – они поворачиваются вслед за движением солнца. Процесс преобразования энергии происходит в трубках, расположенных внутри коробов.

Главное отличие гелиосистем от солнечных батарей в том, что первые нагревают теплоноситель, а вторые аккумулируют электроэнергию. Есть возможность обогревать помещение и с помощью фотоэлементов, но схемы устройства нерациональны и пригодны только для тех для районов, где солнечных дней в году не менее 200.

Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы

Достоинств у солнечной системы обогрева не так много, но каждое из них весомо и может стать причиной для частных экспериментов:

• Экологические достоинства. Это безопасный для жильцов дома и окружающей природы, чистый источник тепла, не требующий применения традиционных видов топлива.
• Автономность. Владельцы систем абсолютно не зависят от цен на энергоносители и от экономической обстановки в стране.
• Экономичность. При сохранении традиционной отопительной системы появляется возможность снизить затраты на оплату горячего водоснабжения.
• Общедоступность. Для установки солнечных систем не нужно разрешения из государственных инстанций.

Но существует и неприятные моменты, способные испортить общую картину. Например, для определения эффективности работы системы потребуется продолжительный период – не менее 3 лет (при условии, что солнечной энергии достаточно и она используется активно).

Пользователи отмечают следующие недостатки:

• высокие цены на оборудование, необходимое для запуска системы в эксплуатацию;
• прямая зависимость количества произведенного тепла от географического положения и погоды;
• обязательное наличие резервного источника, например, газового котла (на практике зачастую резервной оказывается гелиосистема).

Чтобы добиться большей отдачи, приходится регулярно следить за исправностью коллекторов, очищать их от мусора и беречь от образования наледи в заморозки. Если температура часто опускается ниже отметки 0ºС, нужно позаботиться о дополнительной теплоизоляции не только элементов гелиосистемы, но и дома в целом.

Солнечная энергия для отопления

Главное назначение фотоэлементов, аккумулирующих энергию, состоит в обеспечении дома электричеством. Чтобы включить их в схему устройства отопительной системы и добиться оптимального функционирования, необходимо собрать цепь с накопительным баком.

Именно в нем будет происходить нагрев воды, которая, достигнув определенной температуры, заполнит трубы и радиаторы в требующих обогрева помещениях (гостиной, ванной).

Попробуем разобрать конструктивные особенности солнечных батарей и определить их потенциальную роль в системе обогрева.

Принцип работы панелей с фотоэлементами

Существует три распространенных вида элементов для устройства солнечных батарей:

• Монокристаллические. Это тонкие пластины наиболее чистого кремния, нарезанные из выращенного в искусственных условиях кристалла. Самая производительная разновидность с КПД около 17-18 %. Оптимальная температура для эксплуатации – от 5 ºС до 25 ºС.

• Поликристаллические. Изготовлены из пластин, полученных при постепенном охлаждении кремниевого расплава. Технологиях их производства менее трудоемкая, но и КПД фотоэлектрических элементов из поликристалла существенно ниже – не более 12 %.

• Аморфные. Они же пленочные. Изготовлены методом испарительной фазы, в результате которого кремний в виде тонкой пленки оседает на полимерной гибкой основе. Самый дешевый производственный способ сочетается с намой низкой производительностью, исчисляемой до 7 %.

Для установки автономных отопительных систем в северных регионах наиболее подходящим вариантом считают фотоэлектрические батареи, собранные из монокристаллических элементов. Однако батареи с аморфными модулями проще в установке, практически не требовательны к основанию и гораздо дешевле.

Задача внешних элементов – поглощать и преобразовывать солнечные лучи. Высвобожденная энергия поступает дальше и концентрируется в аккумулирующем накопителе. Небольшой элемент дает около 100-250 Вт, а сборная панель площадью 25-30 м² обеспечивает электричеством небольшой домик. Для устройства системы обогрева потребуется энергии в 2-3 раза больше.

В роли преобразователя постоянного тока солнечного «производства» в электричество выступает инвертор, так как для работы бытовых электроприборов и светильников необходим переменный ток.

Если говорить конкретно об отопительной системе, то электрический котел для нагрева воды также работает на переменном токе. Для обеспечения жилища светом ночью потребуются аккумуляторы, сохраняющие дневные запасы.

Эффективность использования фотоэлементов

Проще всего приобрести солнечные коллекторы и применить одну из простых, проверенных годами схем. Однако обстоятельства порой диктуют свои условия. Предположим, у вас есть отличная функционирующая рабочая система с солнечным генератором, но пока она служит для подачи электричества и обеспечения дома горячей водой.

Понятно, что покупать новое оборудование невыгодно, поэтому легче увеличить мощности, прикупив некоторое количество фотоэлектрических преобразователей. Бюджетный вариант – кремниевые панели с производительностью до 23-25%.

К источнику тока необходимо подключить отопительный прибор, работающий на электричестве. Универсальный вариант – котел, оснащенный распределительной разводкой.

Если правильно организовать подачу электроэнергии, ее должно хватить и для горячего водоснабжения, и для отопления. Существуют примеры, когда дом полностью обеспечен теплом – его можно узнать по крыше, практически полностью покрытой панелями.

Иногда требуется возведение специальных отдельно стоящих конструкций, если площади кровли не хватает. Получается, что для увеличения мощности необходима дополнительная свободная площадь.

Даже самые тщательные подсчеты не помогут вам определить точное количество потенциальной энергии и оперативно создать эффективную, отлаженную систему. Дело в том, что на практике возникают препятствия, появление которых предугадать достаточно сложно.

Вот некоторые из факторов:

• Непостоянство погоды. Четкое количество солнечных дней неизвестно даже в южных областях. Достоверно предсказать их число в северных районах практически невозможно.
• Нерегулярность получения электричества. Например, в северных регионах зимой короткий световой день, поэтому много переработанной солнечной энергии уходит на освещение. К тому же интенсивность солнечного излучения в зимний период существенно уменьшается.
• Периодические поломки. Как и все технические системы солнечные панели могут время от времени выходить из строя из-за повреждения отдельных элементов, контрактных соединений, защитной поверхности и т.д.

Следовательно, об эффективности вы можете узнать лишь через определенный промежуток времени, минимум – через год. Возможно, придется увеличить количество фотоэлементов или аккумуляторов, продумать дополнительную теплоизоляцию дома, уменьшить отапливаемую территорию. Предположим, в северных районах Германии в целях экономии спальни часто не отапливаются вообще.

Схема установки домашней электростанции

Самый простой способ установки солнечного генератора – обращение в компанию, реализующую системные компоненты и предлагающую услуги по их монтажу. Плюсы – профессиональный проект с учетом индивидуальных особенностей, гарантия на всю продукцию и установку, минус – высокая стоимость.

Если вы имеете соответствующий опыт, можете самостоятельно собрать мини-электростанцию с солнечными батареями для отопления частного дома.

Все детали для сборки системы отопления продаются в специализированных магазинах.

Необходимо приобрести следующие компоненты:

• комплект кремниевых или пленочных солнечных модулей;
• аккумуляторную батарею, накапливающую энергию;
• контроллер заряда, регулирующий процесс зарядки-разрядки аккумулятора;
• инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;
• набор соединяющих кабелей.

Желательно, чтобы аккумуляторы были одинаковыми (с учетом марки, емкости и даже партии) и имели возможность хранить энергию на протяжении 3-4 дней. Продолжительность их работы зависит от температуры помещения – в холодных условиях они быстро разряжаются. Если суточное потребление равно 2400 Вт-ч, необходимы батареи общей емкостью не менее 1000 А-ч.

Качество тока, вырабатываемого синусоидальными инверторами для солнечных систем, выше показателей тока из централизованной сети. Особенность оборудования состоит в синхронизации фазы напряжения, при которой переход 12 В в 220 В осуществляется без перерыва в функционировании бытовых электрических приборов.

После монтажа всех элементов солнечной системы необходимо к инвертору подключить электрический бак, нагревающий воду, а к баку, в свою очередь, трубопровод отопления.

Коллекторная система отопления

Наибольшей эффективности и отдачи можно добиться, установив вместо солнечных модулей коллекторы – наружные установки, в которых под действием солнечного излучения происходит нагрев воды. Такая система является более логичной и естественной, так как не потребует нагревания теплоносителя другими устройствами.

Рассмотрим конструкцию и принцип действия приборов двух основных видов: плоских и трубчатых.

Плоский вариант для самостоятельного изготовления

Конструкция плоских установок настолько проста, что опытные мастера-умельцы собирают кустарные аналоги своими руками, часть деталей купив в специализированном магазине, часть соорудив из подручного материала.

Внутри стального или алюминиевого утепленного короба закреплена пластина, адсорбирующая солнечное тепло. Чаще всего она покрыта слоем черного хрома. Сверху теплопоглотитель защищен герметичной прозрачной крышкой.

Нагревание воды происходит в трубках, уложенных змейкой и соединенных с пластиной. Вода или антифриз поступает внутрь короба через впускной патрубок, нагревается в трубках и перемещается на выход – к выпускному патрубку.

Существует два вида подключения, однотрубное и двухтрубное, принципиальной разницы в выборе нет. Но существует большая разница в том, каким способом теплоноситель будет подаваться к коллекторам – самотечным или с помощью насоса. Первый вариант признан неэффективным из-за слабой скорости передвижения воды, по принципу нагрева он напоминает емкость для летнего душа.

Функционирование второго варианта происходит благодаря подключению циркуляционного насоса, который подает теплоноситель в принудительном порядке. Источником энергии для работы насосного оборудования может стать энергосистема на солнечных батареях.

Трубчатые коллекторы – решение для северных регионов

Общий принцип работы напоминает функционирование плоских аналогов, но с одной разницей – теплообменные трубки с теплоносителем находятся внутри стеклянных колб. Сами трубки бывают перьевыми, запаянными с одной стороны и внешним видом напоминающие перья, и коаксиальными (вакуумными), вставленными друг в друга и запаянными с обеих сторон.

Теплообменники также бывают разными:

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

Второй вид теплообменников признан более эффективным, но недостаточно популярным из-за стоимости ремонта: при выходе из строя одной трубки придется производить замену всей секции.

Трубка Heat-pipe не является частью целого сегмента, поэтому поменять ее можно за 2-3 минуты. Вышедшие из строя коаксиальные элементы ремонтируют, просто сняв заглушку и заменив поврежденный канал.

Проанализировав технические характеристики коллекторов разного типа и обобщив опыт их использования, решили, что для южных областей больше подходят плоские коллекторы, а для северных – трубчатые. Особенно хорошо зарекомендовали себя в условиях сурового климата установки с системой Heat-pipe. Они обладают нагревательной способностью даже в пасмурные дни и ночью, «питаясь» минимальным количеством солнечного света.

Метод увеличения производительности

Обычно, поэкспериментировав с небольшим количеством солнечных модулей, владельцы частных домов идут дальше и совершенствуют систему различными способами.

Что делать, если существует дефицит свободной площади? Вот несколько рекомендаций для повышения эффективности солнечной станции (с фотоэлементами или коллекторами):

• Изменение ориентации модулей. Перемещение элементов относительно положения солнца. Проще говоря, установка основной части панелей на южной стороне. При длинном световом дне также оптимально задействовать поверхности, выходящие на восток и запад.

• Регулировка угла наклона. Производитель обычно указывает, какой угол является наиболее предпочтительным (например, 45º), но порой при монтаже приходится вносить свои коррективы с учетом географической широты.

• Правильный выбор места установки. Крыша подходит, потому что чаще всего является наивысшей плоскостью и не затеняется другими объектами (предположим, садовыми деревьями). Но существуют еще более подходящие площади – поворотные устройства слежения за солнцем.

При перпендикулярном расположении элементов к лучам солнца система работает более эффективно, однако на стабильно закрепленной поверхности (например, крыше) это возможно лишь на короткий промежуток времени. Чтобы его увеличить, придумали практичные устройства слежения.

Большим минусом устройств слежения является их высокая стоимость. В некоторых случаях она не окупается, поэтому нет смысла вкладываться в бесполезные механизмы.

Подсчитано, что 8 панелей – минимальное количество, при котором затраты со временем оправдают себя. Можно задействовать и 3-4 модуля, но при одном условии: если они напрямую, в обход аккумуляторов, подключены к водяному насосу.

Буквально на днях компания Тесла Моторс объявила о создании нового типа крыши – с интегрированными солнечными батареями. Илон Маск заявил, что модифицированная крыша будет дешевле, чем обычная кровля с установленными на нее коллекторами или модулями.

Выводы и полезное видео по теме

Тематические видеоролики помогут вам лучше представить устройство домашних солнечных станций и раскроют некоторые секреты монтажа оборудования.

Видео #1. Доступно изложенная техническая информация о солнечных батареях и контроллерах заряда:

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

Видео #3. Пример успешно работающей солнечной станции, полностью собранной самостоятельно, обеспечивающей и ГВС, и отопление дома:

Как видите, отопительная система на солнечных батареях – вполне реальное явление, которое вы можете самостоятельно воплотить в жизнь. Сфера альтернативных способов получения энергии развивается постоянно, возможно, завтра вы услышите о новом открытии.

Приглашаем активно комментировать материал. Высказать свое отношение к “зеленой энергетике”, поделиться опытом в устройстве системы из солнечных батарей, сообщить только вам известные тонкости вы сможете в блоке, расположенном ниже.