Как сделать отопление дома солнечными батареями – теория и практика

Общий принцип работы солнечной батареи

Конструкция фотоэлектрических установок состоит из большого количества фотоэлементов.

В свою очередь, они обладают способностью поглощать лучи солнца, за счет чего в их структуре происходит электрохимическая реакция.

При этом в каждом отдельном фотоэлементе образуется минимальное количество тока, который соединяется в один поток и выходит из батареи.

Одна солнечная батарея способна вырабатывать около 250 вольт.

В результате чего удается достичь нужной мощности. Если разместить батареи на площади 20-30 м2, удастся с излишком обеспечить электроэнергией дом среднестатического семейства.

Вырабатываемая в процессе химической реакции электроэнергия, поступает через контроллер на аккумуляторные батареи, затем подается через инвертор в электрическую сеть.

Внешние аккумуляторы должны иметь объем, соответствующий нерабочему времени солнечной системы, имеется ввиду темное время суток, когда снижается выработка напряжения панелями.

Видео:

При этом заряжаются аккумуляторные батареи в течение всего светового дня, как правило, в это время электричества в избытке.

Что касается функционального назначения инвертора, то устройство используется для преобразования постоянного тока в переменный ток, который впоследствии становится пригодным для питания современных электроприборов.

Вложив средства и установив солнечное оборудование один раз, можно добиться эффективной работы панелей круглый год.

При этом не исключается темное время суток, что стало возможным после разработки и производства фотоэлементов для панелей, функционирующих от инфракрасного излучения, которое имеет свойство проходить сквозь густые облака и темноту.

Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление

Удовольствие иметь собственную гелиостанцию стоит пока немало. Первая ступень на пути к обладания могуществом энергии солнца – определение оптимальной пиковой нагрузки в киловаттах и рационального среднесуточного энергопотребления в киловатт-часах домашнего или дачного хозяйства.

Пиковая нагрузка создается необходимостью включения сразу нескольких электрических приборов и определяется их максимальной суммарной мощностью с учетом завышенных пусковых характеристик некоторых из них.

Подсчет максимума потребляемой мощности позволяет выявить, жизненно нужна одновременная работа каких электроприборов, а которых не очень. Такому показателю подчиняются мощностные характеристики узлов электростанции, то есть итоговая стоимость устройства.

Суточное энергопотребление электроприбора измеряется произведением его индивидуальной мощности на время, что он проработал от сети (потреблял электроэнергию) в течение суток. Общее среднесуточное энергопотребление рассчитывается как сумма израсходованной энергии электричества каждым потребителем за суточный период.

Последующий анализ и оптимизация полученных данных о нагрузках и энергопотреблении обеспечат нужную комплектацию и последующую работу солнечной энергосистемы с минимальными затратами

Результат потребления энергии помогает рационально подойти к расходу солнечного электричества. Итог вычислений важен для дальнейшего расчета емкости аккумуляторов. От этого параметра цена аккумуляторного блока, немало стоящего компонента системы, зависит еще больше.

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.

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.

Изготовления солнечного коллектора

Как сделать отопление дома солнечными батареями – теория и практикаДля создания коллектора потребуются такие материалы:

  • змеевик от старого или неисправного холодильника;
  • рейки для сборки каркаса;
  • фольга, обычное стекло;
  • резиновый коврик;
  • емкость для воды и трубы для ее подачи и слива.

Как работает солнечный коллектор для отопления дома

При сборке коллектора необходимо в точности следовать указанной инструкции:

  1. На резиновый коврик укладывают фольгу, каркас из реек и змеевик, именно в данной последовательности. При сборке каркаса в его стенках делают небольшие отверстия, они должны быть достаточными для того, чтобы через них можно было вывести трубки змеевика.
  2. Змеевик закрепляют с помощью хомутов с того же самого холодильника. С обратной стороны их крепят винтами. Также с той же стороны прибивают рейки – это нужно для того, чтобы конструкция приобрела требуемую жесткость.
  3. Щели, образовавшиеся между каркасом и фольгой, заклеивают скотчем. Благодаря этому тепловые потери минимизируются, и отопление солнцем станет более эффективным. Уже готовый коллектор накрывают стеклом и по всему периметру проклеивают скотчем. Для дополнительной герметизации конструкции и большей надежности стекло крепят несколькими шурупами. Затем солнечный коллектор прикрепляют к специальным опорам.

Как самому сделать солнечный коллектор, пример на видео:

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).

Установка только солнечных модулей потребует больших вложений: самые дешевые кремниевые панели обойдутся не менее 2200 руб. за штуку, а поликристаллические шестидиодные элементы первой категории – до 17000 за штуку. Подсчитать стоимость 30 модулей довольно просто (+)

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.

Принцип обогрева и его эффективность

Абсорберы воздушных коллекторов делают черного цвета, для увеличения интенсивности нагрева под воздействием солнечного излучения. Температура воздуха в коллекторе достигает 70-80°С. Тепла с избытком хватает для полноценного обогрева помещений небольшой площади.

Принцип действия воздухонагревателя следующий:

  • воздух закачивается с улицы в корпус коллектора принудительным способом;
  • внутри блока установлены абсорберы, отражающие тепло, поднимающие температуру внутри ящика до 70-80°С;
  • происходит нагрев воздуха;
  • разогретые воздушные массы принудительно нагнетаются в отапливаемые помещения.

В заводских моделях обеспечение циркуляции воздуха осуществляется при помощи вентиляторов, подключенных к солнечным батареям. Как только ультрафиолетовое излучение становится достаточно интенсивным, чтобы выработать некоторое количество электроэнергии, турбины включаются. Коллекторы начинают работать на обогрев. Зимой интенсивность излучения Солнца снижается.

Дом не сможет полностью функционировать на солнечном воздушном отоплении. Воздухонагреватели используются как дополнительный источник тепла. При правильных расчетах одна установка (данные взяты из технических характеристик воздушных солнечных коллекторов Solar Fox) обеспечит следующую экономию, за отопительный сезон:

  • газ до 315 м³;
  • дрова до 3,9 м³.

Система солнечного воздушного обогрева компенсирует около 30% необходимого для здания тепла. Полная окупаемость достигается в течение 2-3 лет. Если учесть, что принцип работы связан с использованием установки и для кондиционирования воздуха, а в течение года вырабатывается около 4000 кВт, целесообразность использования становится еще очевиднее.

В странах ЕС широкое распространение получило конструкторское решение «солнечная стена». Конструкция заключается в следующем:

  • в здании одна из стен изготавливается из аккумулирующего материала;
  • перед панелью устанавливается стеклянная перегородка;
  • в течение дня тепло аккумулируется, после чего отдается в помещение ночью.

Для усиления конвекции, солнечный коллектор делается не во всю стену. Вверху и внизу предусматривают раздвижные шторки.

Виды солнечных батарей

Фотоэлектрические преобразователи существуют разные. Причем отличается и материал, из которого они изготавливаются, и технологии. От всех этих факторов напрямую зависит производительность этих преобразователей. Некоторые фотоэлементы имеют КПД 5-7 %, а самые удачные последние разработки показывают 44 % и выше. Понятно, что от разработок до бытового использования расстояние огромное, и по времени, и по деньгам. Зато можно представить, что ждет нас в ближайшем будущем. Для получения лучших характеристик используют другие редкоземельные металлы, но с улучшением характеристик имеем приличное повышение цены. Средняя же производительность относительно недорогих солнечных преобразователей составляет 20-25 %.

Самое широкое распространение получили солнечные модули из кремния

Самые распространенные кремниевые солнечные батареи. Этот полупроводник недорог, его производство освоено давно. Но они имеют не самый высокий КПД — те самые 20-25%. Потому при всем разнообразии сегодня преимущественно используются три вида солнечных преобразователей:

  • Самые дешевые — тонкопленочные батареи. Они представляют собой тонкий налет кремния на несущем материале. Кремниевый слой покрыт защитной пленкой. Плюс этих элементов в том, что работают они даже в рассеянном свете, а, следовательно, есть возможность устанавливать их даже на стены зданий. Минусы — низкая эффективность 7-10%, а также, несмотря на защитный слой, постепенная деградация кремниевого слоя. Тем не менее заняв большую площадь, можно получить электричество даже в пасмурную погоду.
  • Поликристаллические солнечные батареи изготавливают из расплава кремния, медленно его охлаждая. Отличить эти элементы можно по ярко-синему цвету. Эти солнечные батареи имеют лучшую продуктивность: КПД 17-20%, но в рассеянном свете малоэффективны.
  • Самые дорогие из всей троицы, но при этом довольно широко распространенные — монокристаллические солнечные батареи. Они получаются путем разделения одного кристалла кремния на пластины и имеют характерную геометрию со скощенными углами. У этих элементов КПД от 20% до 25%.

Теперь, видя надписи «солнечная панель моно» или «поликристаллическая солнечная батарея», вы будете понимать, что речь идет о способе производства кремниевых кристаллов. Также вы будете знать, какой эффективности от них можно ожидать.

Батарея с монокристаллическими преобразователями

Плоские солнечные коллекторы закрытого типа

Конструкция плоского коллектора представляет собой алюминиевый каркас со специальным поглощающим слоем и прозрачным покрытием. Также сюда входит трубопровод и утеплитель.

В качестве абсорбирующего слоя используется зачерненная листовая медь с отличной теплопроводностью, идеально подходящей для создания гелиосистем. Абсорбер поглощает энергию солнечного излучения и передает ее теплоносителю, который циркулирует по примыкающему трубопроводу.

Наружная часть панели имеет защиту в виде прозрачного покрытия, для изготовления которого использовалось закаленное стекло, устойчивое к механическим повреждениям. Это позволяет создать надежную защиту от града. Полоса пропускания такого стекла составляет 0,4-1,8 мкм, что достаточно для максимально солнечного излучения. Внутренняя сторона панели имеет хороший теплоизоляционный слой.

Закрытые плоские панели имеет ряд неоспоримых преимуществ:

  • Простая конструкция.
  • Высокая эффективность при использовании в теплых регионах.
  • Наличие приспособления для изменения угла наклона панели, позволяющее выбрать оптимальное расположение конструкции.
  • Самостоятельная очистка от инея и снега.
  • Приемлемая стоимость.
  • Долгий срок эксплуатации, качественные изделия могут прослужить до полувека.

Если использование системы было включено в проект здания, то в этом случае можно получить большую выгоду.

Из недостатков внимание привлекает следующее:

  • Высокие потери тепла.
  • Достаточно большая масса конструкции.
  • Высокая парусность наклонно расположенных панелей.
  • Низкая производительность при температурных изменениях до 40 градусов.

Область использования плоских закрытых панелей для отопления дома с помощью солнечных батарей достаточно широкая:

  • Летом системы полностью удовлетворяют потребности в горячей воде.
  • Между отопительными сезонами они способны заменить газовые приборы отопления и электрические обогреватели.

Способы применения солнечной энергии

Основное требование к функциональности системы на солнечной энергии – большое количество дней без осадков. Поэтому конструкции нашли применение в отдельных частях света Америке, Австралии, некоторых странах Европы. В северных районах оборудование актуально только летом, а зимой требует дополнения в виде косвенных источников обогрева.

Вся система представляет собой панели с фотоэлементами с одной стороны и фиксатором с другой. Посредником между солнечными лучами и механизмом, образующим энергию, являются батареи (коллекторы), аккумулирующие энергию солнца и преобразующие в тепло для обогрева помещения, питания электрических приборов.

Для увеличения эффективности солнечные панели для частного дома размещают на механизмы, способные поворачиваться. Это устройства похожие на систему слежения с большим углом разворота, автоматически поворачивающиеся за движущимся солнцем. Конструкция стоит дорого, поэтому следует рассмотреть не только удобство применения оборудования в частном регионе, но и достоинства, недостатки эксплуатации панелей.

Дата: 25 сентября 2020
Напишите комментарий

Adblock
detector