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.

Экономически выгодный бойлер — солнечный водонагреватель

Обновлено: 23 февраля 2021

Типы солнечных водонагревателей и их характеристики

Солнечные водонагреватели представляют собой комплект оборудования для нагрева воды с помощью солнечной энергии. Другое название этих устройств — солнечные коллекторы. В отличие от фотоэлектрических панелей, использующих для производства электроэнергии солнечный свет, солнечные нагреватели сразу получают тепловую энергию, которую передают теплоносителю (воде, антифризу и т.п.).

Они образуют целую систему, состоящую из следующих элементов:

• Коллектор. Панель, принимающая тепловую энергию и передающая ее теплоносителю.
• Накопительный бак. Емкость, в которой аккумулируется нагретая вода и происходит замещение остывшего теплоносителя только что нагретым потоком.
• Отопительный контур. Обычная радиаторная система или теплый пол, реализующие энергию теплоносителя. В некоторых типах системы отопительный контур не входит в объем системы коллектора, получая энергию в накопительном баке, который в данном случае является теплообменником.

По типу циркуляции

Циркуляция теплоносителя позволяет получать тепловую энергию взамен отданной во внутреннюю атмосферу дома. Существует два вида:

1. Естественная. Используется перемещение нагретых слоев жидкости вверх с замещением их более холодными слоями. Не требует никаких устройств или использования электроэнергии, но зависит от множества факторов — взаимного расположения коллектора, накопителя и остальных элементов системы, температуры и т.д. Перемещение жидкости нестабильное, способное усиливаться и ослабляться.
2. Принудительная. Потоки направляются с помощью циркуляционного насоса. Возникает стабильный режим с постоянной скоростью потока, что позволяет обеспечить устойчивый режим обогрева дома.

Принудительная циркуляция более эффективна и позволяет располагать узлы системы в наиболее удобном порядке, не обращая внимание на перепады высот и объемов.

По типу коллектора

Существуют конструкции коллекторов, обладающие разной эффективностью, возможностями и способом передачи тепла. В их числе:

1. Открытые. Плоские длинные лотки или желоба из черного пластика, в которых циркулирует вода. КПД открытых коллекторов очень низок, но простота и дешевизна способствуют их популярности. Используются для нагрева воды для летнего душа или бассейна.
2. Трубчатые (термосифонные). Основной элемент — коаксиальная трубка с вакуумной прослойкой между внешними слоями, которая надежно теплоизолирует содержимое трубок. Конструкция эффективная, но дорогая и не поддающаяся ремонту.
3. Плоские. Это закрытые емкости с прозрачной верхней панелью. Внутренняя поверхность покрыта слоем приемника тепловой энергии, отдающего ее воде, которая перемещается внутри припаянных к приемнику трубок. Простая и эффективная конструкция, в которой для большего эффекта иногда создают вакуум для теплоизоляции.

От того, какой коллектор установлен в системе, и насколько он удачно вписывается во внешние условия региона — климат, погода, количество и продолжительность солнечных дней — зависит, насколько эффективной будет система нагрева воды от солнца.

Для чего можно использовать?

Солнечный нагреватель воды, как правило, используется в качестве основного или дополнительного источника энергии для подготовки теплоносителя отопительного контура. Кроме того, солнечный подогреватель воды может готовить горячую воду для бытовых нужд.

Одним из распространенных способов использования нагрева воды от солнца является подача горячей воды в летний душ или умывальник, а также подогрев воды в бассейне. Возможно использование подогретой воды для полива растений в теплицах и парниках. Чем удачнее внешние условия, тем больше способов применения солнечных панелей для нагрева воды можно найти и использовать.

Установка

Солнечные водонагреватели для дома устанавливаются на открытой площадке с таким расчетом, чтобы поток солнечных лучей падал на них отвесно в течение всего дня. Солнце перемещается по небосклону, но обеспечить максимально равномерное освещение всегда можно. Основная задача — обеспечить отсутствие преград для получения тепловой энергии. Обычно установку коллекторов производят на скатах крыши, так как это позволяет сэкономить площадь участка и исключит доступ злоумышленникам, животным и прочим нежелательным элементам.

При удачном размещении панели температура застоя (теплоносителя, не находящегося в состоянии циркуляции) может достигать до 300°. Такого результата достичь непросто, чаще всего температура не превышает 60-65°, но и это вполне допустимый результат для отопительной системы, контура ГВС или теплого пола. Однако, возможность повышения температуры выдвигает особые требования к материалу соединительных трубопроводов.

Важно! Не допускается монтаж пластиковых или стальных труб, только из нержавеющей стали или меди. Кроме того, контур надо качественно теплоизолировать.

Ошибки, допущенные при монтаже, снижают эффективность работы водонагревателя на солнечных батареях, цена которого достаточно велика, чтобы относиться к этому с пренебрежением. Существуют два типа установки, имеющие принципиальное различие:

Пассивная

• Работа установки протекает полностью самостоятельно, без каких-либо дополнительных приспособлений. Получение и передача энергии происходит непосредственно на теплоноситель, который самотеком поступает в накопительную емкость. Примером пассивной установки может служить емкость для воды темного цвета для лучшего нагрева. Нагрев воды в ней происходит без дополнительной помощи, надо лишь поставить бак под лучи Солнца.
• Циркуляция также естественная, теплые слои поднимаются вверх, уступая место холодным, которые, нагреваясь, в свою очередь, уступают место остывшим слоям. Простота и отсутствие необходимости в обслуживании таких установок привлекательны, но режим их работы крайне неустойчив, а эффективность составляет лишь малую часть от физически возможной.

Активная

• Активная установка солнечной батареи для нагрева воды позволяет решить все проблемы с режимом циркуляции и получить максимальную эффективность теплопередачи. Обычно нагревательный контур имеет замкнутую конструкцию, в которой циркулирует вода или масло. В нормальном состоянии естественной циркуляции о масла получить невозможно, но, с помощью циркулярного насоса, можно получить высокую степень теплопередачи, свойственную маслу в силу физических особенностей.
• Горячая вода от солнца, полученная подобным образом, может быть направлена в одно- или двухконтурные системы, для отопления и подачи ГВС. Результаты, полученные от активной установки, значительно выше, но и расходы на ее приобретение намного заметнее. Для пользователей, которые решили выбрать солнечные водонагреватели для дома, стоимость комплекта может оказаться слишком высокой, поэтому следует заранее узнать цену подобных комплексов.

Обзор рынка: производители и модели

Наибольшее развитие и распространение технология получила в южных странах, где поток энергии находится в постоянном доступе. Покупателей, которые решили приобрести и установить солнечные батареи для нагрева воды, цена нередко интересует даже больше, чем технические и эксплуатационные характеристики.

Рассмотрим наиболее известные фирмы, занимающиеся производством этого оборудования:

• Sunrain Solar Energy Co., Ltd. Это китайская фирма, полностью изготавливающая водонагревательные системы на собственных предприятиях.
• Buderus, Vaillant, Viessmann — три фирмы из Германии. Европейское оборудование славится своим качеством и возможностями, но немецкие установки являются эталоном среди всех альтернативных вариантов.
• Ariston, Ferroli. Итальянские компании, обеспечивающие высокое качество и сравнительно низкие цены на отопительное оборудование.

Приобретая солнечные нагреватели воды, цена которых кажется весьма приемлемой, необходимо внимательно изучить паспорт и технические характеристики установки. Встречаются недобросовестные производители и продавцы, предлагающие поддельные устройства. Если есть сомнения, следует попросить сертификаты на оборудование. Если их не имеется в наличии, нужные устройства следует поискать в других магазинах.

Необходимо учесть, что данное оборудование может быть очень дорогим не столько из-за высокого качества, сколько в зависимости от страны-изготовителя. Так, российские установки могут стоить 20 тыс. руб., а европейские аналоги того же уровня будут стоить в 3-4 раза больше.

Какой выбрать для бассейна?

Выбор гелионагревателя для бассейна обусловлен его размерами, объемом воды, местом расположения и прочими критериями. Солнечные водонагреватели, цены и параметры которых находятся в наилучшем сочетании, могут быть изготовлены в разных конструкционных вариантах. Могут быть использованы все доступные варианты, от простейших открытых конструкций, до наиболее сложных и дорогих систем с конденсационными камерами.

Чем проще комплекс, тем он дешевле и надежнее, но и эффективность его будет соответственно ниже. Основным критерием выбора следует считать размер искусственного водоема и частоту подпитки извне. Специалисты рекомендуют для бытовых целей обходиться несложными и дешевыми гибкими моделями, представляющими собой резиновые плоскости с впаянными внутри трубками, по которым пропускается вода. Они недороги, но дают вполне достаточно тепла для поддержания нормальной температуры в бассейне.

Если необходимо подогревать воду в искусственных водоемах общественного или коммерческого пользования, рекомендуется приобретать полноценные комплексы из вакуумных трубок, или панельные конструкции. Они демонстрируют высокую эффективность и позволяют получать достаточное количество тепловой энергии. Параметры таких установок подробно изложены в паспорте, что позволяет выбрать комплекс, наиболее подходящий по производительности.

Как сделать водонагреватель своими руками?

Самостоятельное изготовление солнечного водонагревателя позволяет сэкономить некоторое количество денег и получить возможность бесплатного нагрева воды для любых нужд. Нет смысла использовать дорогостоящие материалы, поскольку результат будет зависеть не столько от их, сколько от тщательности и аккуратности сборки, а также от площади нагрева. Браться за изготовление вакуумных или конденсационных установок нецелесообразно, проще сделать самые доступные и надежные панели. Рассмотрим наиболее популярные и распространенные варианты самостоятельного изготовления солнечных водонагревателей:

Из поликарбоната

Поликарбонат — прозрачный листовой пластик. Для изготовления коллектора нужен сотовый материал, представляющий собой двойной лист, соединенный поперечными полосками. Вся плоскость представляет собой множество каналов, разделенных друг с другом, но имеющих выход наружу с торцовой части.

Для изготовления надо взять два листа одинакового размера. Один будет абсорбером, т.е. получать солнечное тепло и отдавать его воде. Второй — наружный защитный слой, обеспечивающий безопасность рабочей пластины и способствующий сохранению тепловой энергии. Для утепления используется пенопластовый лист такого же размера, который будет наклеен на заднюю сторону.

В качестве манифольда (распределителя) будет использоваться полипропиленовая труба. Для каждой панели нужно 2 таких трубы. В них надо сделать продольный пропил, длина которого точно равна ширине листов поликарбоната. В эти пропилы вставляются торцы рабочих пластин (оба), после чего тщательно герметизируются с помощью клеевого пистолета.

Важно! Задняя сторона рабочей пластины красится в черный цвет, после чего на нее наклеивается пенопласт. Затем на лицевую сторону наклеивается внешний защитный слой.

На диагонально противоположные торцы полипропиленовых трубок наклеиваются штуцеры, с помощью которых коллектор будет присоединяться к остальной системе. Свободные торцы плотно герметизируются заглушками. После высыхания клея коллектор наполняют водой и проверяют наличие утечек, которые сразу же устраняют. После этого панель можно присоединять к системе и вводить в эксплуатацию.

Из пластиковых бутылок

Коллектор из пластиковых бутылок — один из вариантов самодельного трубчатого водонагревателя. Собственно, бутылки служат только для теплоизоляции, основную функцию выполняют черные пластиковые трубки, торцы которых вставлены в средние патрубки ПВХ тройников. Эти тройники соединяются в одну линию, образуя коллектор, который можно впоследствии увеличивать до любого размера, просто присоединяя дополнительные трубки. У бутылок отрезают дно, одевают их на трубку одну за другой так, чтобы горлышко плотно входило в заднюю част.

Получается внешняя прозрачная труба, прикрывающая трубку и создающая эффект парника внутри. Когда по трубкам пропускается вода, она нагревается от солнечного тепла и направляется в систему для использования по назначению.

Советы по эксплуатации

Эксплуатация солнечных нагревателей не представляет существенных сложностей. Если система правильно установлена и настроена, то от владельца потребуется лишь поддержание чистоты приемных панелей и целостности соединений. При необходимости надо менять вышедшие из строя узлы и элементы, восстанавливать герметичность трубок и прочих деталей. Никаких специальных рекомендаций не имеется, все действия производятся в соответствии с необходимостью и целесообразностью.