Солнечные батареи для дачи и дома: виды, принцип работы и порядок расчета гелиосистем

Гелиосистема и солнечные батареи

Солнечная батарея и солнечный (или гелио-) коллектор -две принципиально разные технологии, предназначенные для решения разных задач. Первые преобразовывают солнечную энергию в электрическую, вторые — в тепловую.

Стоит заметить, что эффективность солнечных батарей пока не очень высока — около 15 %. Одна фотоэлектрическая солнечная батарея занимает немного места -1 х 1,5 м. Однако, чтобы выработать 2 кВт энергии, нужно установить 10 таких панелей.

Солнечный же коллектор — это, по сути, циркулятор низкотемпературного теплоносителя, то есть водонагреватель (по аналогии с радиатором). В него входит холодная вода, а выходит горячая, нагретая Солнцем. Ориентировочный КПД коллекторов составляет порядка 70-85 %. В условиях Украины количество энергии, получаемой с 1 м2 коллектора, составляет около 1000 кВтч/год.

Рис 1.Карта солнечной активности в Украине

Рис 2. Карта солнечной активности в России

Точный расчет мощности, эффективности и времени окупаемости системы достаточно сложен и должен учитывать широту местности, число солнечных дней в году, угол отклонения возможного места установки от южного направления и другие факторы. Поэтому приходится оперировать средним значением интенсивности солнечной радиации в расчете на 1 м2 поверхности для конкретной местности.

Рис 3. Зависимость солнечного излучения от погодных условий

Рис 4. Интенсивность излучения в течение года

Рис 5. Тип излучения

Гелиосистема.

Как можно значительно сократить расход любого топлива (газа, электричества и др.) при нагреве горячей воды для дома, бассейна и обеспечения теплом частного жилища? Эту задачу успешно решакл солнечные системы, которые преобразуют лучистую энергию в тепловую.

Главный элемент системы — коллектор. Он поглощает солнечную энергию и преобразовывает ее в высокую температуру теплоносителя. Другие агрегаты — вспомогательные, но их наличие обязательно.

Бак-накопитель служит местом теплообмена между теплоносителем и водой из системы горячего водоснабжения. Гидравлический контур состоит из трубопроводов, клапанов, фильтров, расширительных баков, насосного оборудования.

Система авторегулировки управляет процессами теплопередачи. Монтажный комплект — это детали крепления бака, коллектора и остальных элементов системы.

Сколько и каких коллекторов нужно?

Не углубляясь в технологические дебри, отметим, что коллекторы бывают плоскими и трубчатыми.
Первые дешевле и менее капризны в обслуживании, вторые — более производительны и многофункциональны, но требуют большего внимания при эксплуатации.

Размер коллектора должен быть таким, чтоб прибор мог обеспечить в среднем 85-95 % горячей воды, используемой в теплом полугодии. Считается, что семье из четырех человек нужен коллектор:

• или плоский, площадью 1-1,5 м2 на человека, то есть 4-6 м2,
•  или трубчатый, площадью 0,6-0,8 м2 на человека, то есть 2,4-3,2 м2.

Поверхность коллекторов, призванных обогревать воду в бассейне, должна составлять:

• в случае крытого бассейна — около 40 % площади зеркала воды;
• в случае открытого бассейна -около 70 % площади зеркала воды.

Компании, продающие и устанавливающие солнечные коллекторы, предлагают использовать их не только для нагрева воды, но и для отопления.

На самом деле это возможно только для низкотемпературных отопительных систем (например для систем обогрева пола), температура теплоносителя которых не превышает 40 °С. И в данном случае нужны коллекторы значительно большей площади, чем для нагрева воды.

Этот вариант достоин внимания, но подходит только людям, готовым к большим затратам. С точки зрения экономичности вложения расходы очень велики по сравнению с прибылью, даже учитывая энергоэффективность.

Отчего зависит эффективность?

Энергозффективность коллекторов напрямую зависит от их типа и правильного расположения. Большое значение имеет и то, к какой стороне света обращено оборудование: наиболее эффективны коллекторы, «смотрящие» в южном направлении. Плоский коллектор может быть отклонен максимум на 150   в сторону востока или запада — это снизит его эффективность незначительно.

Больший поворот нужно компенсировать увеличением поверхности прибора. Если дом имеет неопределенную ориентацию по сторонам света, лучше использовать трубчатые коллекторы, которые позволяют варьировать положение абсорбера.

Для таких установок допускается более широкий диапазон отклонений от юга, чем для плоских: угол наклона абсорбера можно регулировать для каждой трубы индивидуально.

Составляющие гелиосистемы.

Составляющие гелиосистемы: а. Коллектор   б.Бак-аккумулятор   в. Циркуляционный насос  г. Контроллер     д. Датчики температуры

При естественной циркуляции теплоносителя бак-теплообменник должен быть расположен выше верхней точки солнечного коллектора. Такое размещение вызывает сложности, особенно при монтаже коллекторов на крыше.

В системах с принудительной циркуляцией ее обеспечивает маломощный насос, работой которого управляет специальный контроллер. Потребляемая мощность насоса небольшая по сравнению с тепловой энергией, вырабатываемой системой.

Используя коллекторы, можно на 10-15 % уменьшить расходы на отопление и до 70 % — на горячее водоснабжение.

Солнечные батареи

В течение одного часа на Землю попадает столько солнечной энергии, сколько используют все ее жители на протяжении года.

Для обеспечения автономности энергопотребления дома может быть использовано два типа систем:

1. Гибридная или резервная в дополнение к обычной электросети.

2. Замкнутая как образец независимой автономной энергосистемы.

В случае исчезновения напряжения в электросети при применении первой системы обычно используют бензиновые или дизельные генераторы, но по сути это те же неблагоприятные для окружающей среды мини-электростанции, еще и с невысоким КПД преобразования топлива в энергию. В лучшем случае используют альтернативное топливо.

Обратите внимание

Заменой дизелю может служить биогаз, который получают в замкнутой емкости из обычного компоста и отходов животного хозяйства, и древесный газ, который выделятся по принципу пиролиза из древесины и некоторых органических твердых частиц.

Эти системы не являются сложными в создании, но, к сожалению, как и остальные достижения альтернативной энергетики, мало распространены.

Как добыть электричество?

Говоря об альтернативном энергообеспечении, рассмотрим полноценную систему, состоящую из источника электроэнергии, контроллера заряда, накопителя и преобразователя (инвертора).

Альтернативные источники энергии — это относительно популярные ветряки и солнечные батареи, далее идут мини-ГЭС, термогенераторы и совсем редко используемые вело-генераторы. Мини-ГЭС мало где можно применить, термогенераторы пока еще дорогие, а велогенераторы вообще серийно не производят.

Контроллером заряда выступает управляющая электронная схема, которая обеспечивает рациональный сбор электроэнергии в накопителе.

Последним в 99 % случаев выступает аккумулятор, реже используются ио-нистры, маховики и сжатый воздух, которые редко встречаются из-за сложности конструкции и невысокого КПД сжатого воздуха, хотя эти агрегаты и могут иметь большую цикличность.

Аккумуляторы. В автономных системах популярны кислотные аккумуляторы глубокого разряда, а также их гелевые модификации. Пока аккумуляторы на основе лития являются достаточно дорогими.

Инвертор чаще всего выступает преобразователем постоянного тока аккумулятора или банка соединенных аккумуляторов в переменный ток 220 или 380 В. В основном это -электронные устройства, но очень редко встречаются и механические.

Какая цена солнечных батарей?

Сколько может стоить замкнутая автономная система для гарантированного обеспечения потребностей домика, скажем, площадью в 100 м2? Для такой задачи не стоит выбирать системы мощностью менее 4 кВт.

Лучше использовать 6 аккумуляторов на 2 В 1500 А, рассчитанных на 20 лет совместной работы. Такая система сможет давать 20-30 кВт в день в среднем в течение года.

В сумме вместе с контроллером заряда и инвертором установка обойдется в 40 000-50 000 долларов… Дорого? Стоп!

На этом этапе 90 % заинтересованных лиц отсеиваются. Они сразу начинают считать, когда такая система окупится. Но ведь покупая новый автомобиль, мало кто считает потенциальную выгоду. Люди расценивают эту покупку как критерий удобства и комфорта, который по финансовым меркам никогда не окупится. А разве с альтернативной энергетикой не так? Так! Но только для экологически сознательных людей.

Доступная цена солнечных батарей.

Сознательным людям свойственно экономить и постоянно искать альтернативу. Например, стоит полностью отказаться от электронагревательных приборов. Тогда потребности в электроэнергии сразу уменьшатся вдвое, а то и втрое.

Лучше использовать светодиодные лампы — качественные варианты как минимум вдвое эффективнее ртутных энергосберегающих ламп и как минимум в десять раз эффективнее ламп накаливания. Энергоэффективна техника классов «А+» и «А++». Желательно отказаться от использования климатической техники.

Если придерживаться данных советов и использовать альтернативу вышеописанным системам, то можно заметить, что в действительности потребности в электроэнергии совсем мизерные. Так, на дом может хватить 500 Вт от солнечных батарей и 300 Вт от ветряка вместе с двумя-тремя аккумуляторами на 12 В 200 А.

Общая стоимость систем составит порядка 3000 у. е. .

Чтобы понять, что такое альтернативная электроэнергия, можно начать с приобретения солнечной батареи хотя бы на 30 Вт и стартерного аккумулятора с дешевым киловаттным инвертором.

Можно даже обойтись без контроллера заряда и уложиться в 300 у. е.

Получится система, которая сможет обеспечить работу всех мультимедийных бытовых электроприборов и всего малого и среднего электроинструмента.

Дешевые батареи предлагает Китай, изделия украинских производителей считаются более качественными, но только в плане соответствия паспортных характеристик стандартам.

В принципе любые системы будут долго и надежно работать, поскольку они  статичные, водо- и пылезащищенные и не требуют обслуживания.

Важно

Также можно попытаться найти по выгодной цене самодельные варианты батарей, которые производят небольшие предприятия.

Распространены батареи на монокристаллах, далее идут поликристаллические с несколько меньшим КПД и пленочные из аморфного кремния с еще более низким КПД и сомнительным преимуществом в цене при больших габаритах.

Составляющие.

В роли аккумуляторов не стоит использовать стартерные батареи, хотя для пробной системы их можно приобрести, учитывая малую стоимость. Лучше всего выбирать из кислотных батарей глубокого разряда, которые имеют больший запас свинца в пластинах, что позволяет им длительное время не разрушаться даже в разряженном состоянии.

Гелевые батареи состоят из желеобразного электролита, который еще больше улучшает их свойства. Оптимальным является аккумулятор на 300 А, цена которого составляет от 400 у. е. Возможно, хватит и одной штуки. При больших потребностях составляют целые банки аккумуляторов из  10 или 20 штук на стеллажах.

Для больших масштабов используют промышленные гелевые аккумуляторы с напряжением 2 В и емкостью 1500 А и более. Для максимально больших систем применяют индустриальные воздушно-цинковые батареи, которые служат до 50 лет и выдерживают десятки тысяч циклов заряда/разряда.

В последнее время они ежегодно дешевеют и, возможно, через 10 лет станут доступны для широкого использования в гражданском строительстве.

Начальная стоимость контроллера заряда — 25 у. е. в зависимости  от  модели. Далее цена пропорциональна.

Инверторы делятся на синусоидальные и с модифицированной синусоидой. Первые приблизительно вдвое дороже и позволяют запускать абсолютно всю технику в соответствии со своей мощностью. Установки с модифицированной синусоидой будут успешно работать с мультимедийной техникой и большинством электроинструмента.

Что касается выбора инвертора, то дешевая (около 20 у. е) модель на 100 Вт дает возможность использовать ноугбук, заряжать мобильные телефоны и пользоваться мультимедийной техникой.

Цена за 1kВт несинусоидального инвертора колеблется от 70 у. е., но он уже дает возможность использовать около 70 % электроприборов.

Хотя, к сожалению, он не запустит такие мощные приборы, как холодильник и некоторые насосы.

Сложив все составляющие, получим недорогую, экологичную и автономную систему.

Гелиосистема

В современном мире, когда запасы традиционных источников энергии (газ, нефть, уголь) уменьшаются с большой скоростью, а их использование приводит к образованию парникового эффекта на планете, то все большее количество людей и государств в целом, обращают свое внимание на альтернативные виды энергии.

Одним из видов альтернативной энергии является энергия солнца. Для преобразования солнечной энергии в другие ее виды, которые человек использует в повседневной жизни, служат гелиосистемы различного вида.

Что это такое

Гелиосистема – это комплекс технических устройств, посредством которого энергия солнца в виде солнечных лучей, преобразуется в тепловую или электрическую энергию, используемые человеком для своих нужд.

В состав гелиосистемы входят следующие составные элементы:

• Приемное устройство (солнечная батарея, солнечный коллектор и т.д.) – является элементом гелиосистемы, в котором энергия солнца преобразуется в другие виды энергии;
• Устройства, обеспечивающие режим работы системы – инвертор, контроллер, аккумуляторная батарея (при получении электрической энергии) и теплообменник, система трубопроводов, технические устройствами, обеспечивающими циркуляцию теплоносителя (насосы) — при получении тепловой энергии.

Виды

В зависимости от назначения, режима работы и технического устройства, гелиосистемы подразделяются на несколько видов, это:

1. По типу получаемой энергии:

• Электрические – в результате работы комплекта оборудования на выходе получается электрическая энергия.
• Тепловые – путем преобразования в устройствах, входящих в состав данной группы гелиосистем, получается тепловая энергия.

1. По назначению (для тепловых гелиоустановок):

• Для отопления;
• Для горячего водоснабжения;
• Комбинированного типа (для отопления и горячего водоснабжения).
• По виду теплоносителя (для тепловых гелиосистем):
• С использованием жидкого теплоносителя (вода, антифриз и т.д.);
• С использованием воздуха.

• Постоянного действия;
• Периодического действия (сезонный или циклический характер работы).

• В качестве основного источника получаемой энергии;
• В качестве резервного источника, обеспечивающего покрытие части требуемой мощности (при получении электрической энергии) и частичное – при отоплении или получении горячей воды, при тепловом типе гелиосистем.

1. По техническому оснащению и устройству:

• Параметры напряжения на выходе гелиоустановки – при преобразовании солнечной энергии в электрическую;
• Количество контуров, обеспечивающих получение и преобразование энергии солнца в тепловую энергию – одно-, двух- и многоконтурные.

Принцип действия

Принципы действия гелиосистем различаются в зависимости от типа получаемой энергии и их можно сформулировать следующим образом:

1. Для солнечных электрических станций – работа основана на физических свойствах полупроводниковых материалов, в которых под воздействием солнечных лучей происходит образование разности потенциалов между разными слоями фотоэлемента. Фотоэлемент изготавливается на основе кремния, в основу работы которого, заложено образование «p-n» перехода между его слоями, характеризуемого «p-n» проводимостью полупроводников.
2. При получении тепловой энергии – солнечные лучи нагревают теплоноситель, который циркулирует в солнечном коллекторе, с последующей передачей полученного тепла в систему отопления или горячего водоснабжения.

Плюсы и минусы

Использование гелиоустановок, как в прочем и любого технического устройства, имеет свои достоинства и недостатки, которые можно сформулировать следующим образом:

1. Достоинства применения гелиосистем, как источника энергии:

• Солнце, это источник бесплатной энергии, количество которой несоизмеримо больше, чем потребности человека на текущий момент времени.
• Это возобновляемый ресурс, процесс воспроизводства которого, не зависит от процессов его потребления и переработки.
• Экологическая безопасность процесса получения и преобразования энергии.
• Возможность создания автономных систем энергоснабжения, вне зависимости от вида энергии получаемого в процессе преобразования.
• Осуществление работы в автоматическом режиме, без постоянного контроля пользователя установок подобного типа.

1. Недостатки, свойственные гелиоустановкам:

• Зависимость от погодных условий, времени года и географического месторасположения.
• Низкий КПД – для гелиосистем, использующих солнечные батареи (электрические системы) и большие габаритные размеры, для получения большой мощности, как при производстве тепловой, так и электрической энергий.

Гелиосистемы для отопления и горячего водоснабжения жилого дома

Как уже было указано выше, одним из направлений использования гелиосистем, является преобразование солнечной энергии в тепловую, используемую для отопления жилых домов, прочих зданий и сооружений, а также для обеспечения таких потребителей горячей водой.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

В зависимости от площади отопления и предназначения, конфигурация таких систем может различаться. Ниже рассмотрены некоторые варианты устройства подобных гелиосистем.

Гелиосистема для отопления дома площадью 100 м2

Для того, чтобы выбрать оборудование для комплектации гелиосистемы, определиться с его количеством, способом и местом установки, нужно решить несколько организационных вопросов, это:

• Узнать, какова солнечная активность в месте предполагаемого монтажа оборудования.
• Определить потребность дома, заявленной площади, в тепловой энергии.
• Решить, в каком качестве будет выступать установка, в системе теплоснабжения дома (автономная система или в качестве дополнения к прочим системам отопления).

Сразу нужно отметить, что создание полностью автономной системы отопления на основе солнечной установки, достаточно сложное, с технической стороны, задание.

Это обусловлено циклическим характером работы гелиосистемы, когда в темное время суток процесс получения энергии от внешнего источника (солнца) прекращается, что требует установки дополнительных резервуаров-накопителей тепловой энергии и прочих энергосберегающих устройств.

В состав гелиосистемы для отопления дома входят:

• Солнечный коллектор – бывают различные типы устройств, отличающиеся по конструкции и геометрическим размерам.
• Насосная станция, оснащенная контроллером — регулирует работу системы в автоматическом режиме.
• Бойлер – бак-накопитель, аккумулятор тепла.
• Расширительный бак – обеспечивает работу системы отопления в нормальном режиме, вне зависимости от температуры теплоносителя циркулирующего в системе отопления.
• Приборы автоматики (датчики давления и температуры).
• Трубопроводы горячей и холодной воды (теплоносителя) с запорными элементами.

Схематично система отопления дома, на основе гелиоустановки, выглядит следующим образом:

Как правило, применение солнечных коллекторов позволяет снизить затраты на использование прочих источников получения тепла в весенне-осенний период времени, когда солнце уже активно, а потребность в отоплении дома еще остается.

Тем не менее, для дома, общей площадью до 100,0 м2, возможно создать полностью автономную систему отопления, но для этого нужно правильно подобрать оборудование, в соответствии с расчетом, который следует выполнить перед началом работ.

Для расчета гелиосистемы, служащей для отопления дома, необходимо знать:

1. Общую площадь дома (этажность) с учетом высоты помещений и их параметров (назначение – жилые комнаты, технические и иные помещения).
2. Количество солнечных дней в году (солнечная активность) по данным метеослужб или приведенных в специальной литературе.
3. Параметры теплоносителя, используемого в системе отопления (температура, вязкость, теплопроводность).

Стоимость комплекта оборудования зависит от мощности и типа коллектора, а также компании их выпускающей. Разброс цен достаточно большой и составляет от нескольких десятков тысяч рублей (25000,00 – 80000,00), до сотен тысяч (110000,00 – 180000,00).

Стоимость монтажа, который предлагают выполнить организации, специализирующиеся на подобных работах, также различна, в среднем подобные работы стоят от 50000,00 до 100000,00 рублей, в зависимости от типа коллектора и его мощности.

Использование гелиосистем для создания автономных систем теплоснабжения возможно в южных регионах, но т.к. это достаточно затратное мероприятие, то на практике, подобные установки используются в этом качестве достаточно редко.

Совет

Сезонность использования систем отопления, также определяет мощность подобных установок.

Если в зимний период, когда солнечная активность ниже, чем летом, потребность в отоплении дома максимальна, и мощности коллекторов не хватает, чтобы обеспечить теплом всю имеющуюся потребность, то летом все наоборот.

Излишки тепла, вырабатываемого коллекторами, нужно использовать, что позволяют сделать двух- и многоконтурные системы, позволяющие использовать получаемое тепло в системах горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах, полива растений и отопления в теплицах.

Гелиосистема для отопления дома площадью 200 м2

Для жилых домов площадью 200 м2 и более, гелиосистемы могут использоваться исключительно как дополнительные, к прочим системам отопления, работающим на традиционных источниках энергии.

Комплектация таких систем аналогична рассмотренной выше, отличие заключается в том, что в такой системе, бак-накопитель тепловой энергии связан с другим источником тепла.

Таким источником, как на приведенной ниже схеме, может служить нагревательный котел, использующий различный виды топлива (уголь, газ, жидкое топливо) индивидуального использования, или централизованная система отопления, подключаемая к внутреннему контуру обогреваемого дома.

В среднем, в весенний и осенний периоды, использование гелиоустановок, в качестве дополнительного источника тепловой энергии, позволяет снизить нагрузку на основные энергоресурсы, идущие на теплоснабжения дома, на 30-40 % от общего количества потребляемого тепла.

Гелиосистема для нагрева воды

При использовании солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения и сетях подогрева воды в бассейнах, конфигурация сети, аналогична сетям отопления, с той лишь разницей, что это может быть полностью отдельная система или являющаяся частью общей системы отопления дома.

В каком качестве работает гелиосистема, зависит от количества контуров, смонтированных при ее разработке. На схеме, приведенной выше, рассмотрен вариант устройства системы горячего водоснабжения в общей системе отопления дома площадью 200 м2 и более, когда гелиосистема является дополнительным источником получения тепла.

Гелиосистема своими руками

При наличии навыков работы с различным ручным инструментом, начальными знаниями физических свойств различных веществ, а также наличии свободного времени, можно сделать гелиосистему своими руками.

Здесь может быть несколько вариантов создания и построения подобной установки, это и сборка конвектора из заводских комплектующих или его изготовление полностью из подручных средств или создание простых установок, работающих на свойствах жидкостей и атмосферного воздуха.

К таким относятся ниже рассмотренные варианты конструкции.

Термосифонная гелиосистема

Термосифонная гелиоустановка, это простейшая система, работающая на свойствах жидкости (воздуха) циркулировать в системе без установки специального оборудования (насоса), что обусловлено их естественной конвекцией. Данную систему можно использовать в системах горячего водоснабжения и системах подогрева воды в бассейне.

Плотность тепловой и холодной воды различается, что определяет ее перемещение в замкнутом пространстве – горячая вода поднимается вверх, холодная опускается вниз. Схема работы термосифонной системы приведена на ниже следующей схеме:

Для самостоятельного изготовления подобной системы, понадобятся:

• Две емкости (бочки), одна из которых служит накопителем холодной воды и располагается несколько выше конвектора и второй емкости, служащей распределителем нагретой воды.
• Система труб, обеспечивающих соединение всех элементов конструкции в единое целое.
• Конвектор, который собирается из подручных средств.

Для изготовления конвектора можно использовать пластиковые бутылки, из которых собирается батарея. Подобных батарей может быть несколько, и они между собой соединяются последовательно (как на схеме, приведенной выше).

Собранные батареи из бутылок можно поместить в отдельный корпус, в который для большего поглощения солнечного тепла, помещается утеплитель, хотя можно сделать и без него.

Соединение бутылок должно быть герметичным, чтобы исключить протекание воды в местах их соединения.

Кроме пластиковых бутылок можно использовать водопроводный шланг, укладываемый змейкой в смонтированном корпусе или иные подручные материалы, которые способны нагреваться под воздействием солнечных лучей, и которые можно герметично соединить между собой.

Корпус конвектора изготавливается из имеющихся материалов (дерево, пластик, металлический или иной профиль), после чего собранная конструкция размещается на максимально освещенном участке и все ее элементы, соединяются в единое целое.

В емкость накопитель наливается холодная вода и по истечении определенного времени, из емкости распределителя, можно осуществлять разбор нагретой воды.

Воздушная гелиосистема

Одной из простых конструкций, которую можно также изготовить самостоятельно, является воздушная гелиосистема. Данная установка может быть использована для частичного обогрева в южных регионах страны, где воздух прогревается значительно, а потребность в обогреве жилья – невелика.

Принцип действия воздушного коллектора, аналогичен принципу действия термосифонной системы, рассмотренной ранее. Отличительная особенность лишь в теплоносителе, что отражается на устройстве коллектора.

Для того, чтобы изготовить самостоятельно воздушный коллектор можно использовать подручные материалы, это: водопроводные трубы или жестяные банки, профилированный металлический лист или иной материал имеющий профильное сечение.

Схема работы воздушного коллектора приведена на схеме:

Обратите внимание

Из имеющихся в наличии материалов, как и в случае с термосифонной системой, изготавливается корпус коллектора. При помощи металлического профиля, жестяных банок или путем использования водопроводных труб, создаются ребра, разделяющие воздушный поток на отдельные составные части.

Внутри корпуса укладывается утеплитель, а с наружной стороны, корпус закрывается стеклом, служащим теплоизолятором внутреннего воздуха от наружной среды.

При использовании металлического профиля или иной конструкции, как на приведенной схеме, ребра, разделяющие потоки воздуха могут быть совмещены с панелью, являющейся приемником солнечного тепла. При использовании жестяных банок и водопроводных труб, эту функции выполняют они сами.

С торцов корпуса предусматриваются места крепления коллекторов друг с другом (если их несколько) и для крепления с воздуховодами, обеспечивающими подачу холодного и отвод теплого воздуха.

Где купить

Гелиосистемы в целом и их составные элементы, являются специфическим товаром, для приобретения который лучше всего обратиться в организацию, которая специализируется на реализации товаров в этой отрасли энергетики.

Оптимальный вариант, в этом случае, это найти дилера компании, производящей гелиосистемы, и заключить договор поставки.

При невозможности сделать это, и при желании снизить затраты на приобретение оборудования, можно обратиться к сети интернет, где присутствует достаточно большое количество предложений о продаже гелиоустановок, как полной комплектации, так и их отдельных элементов.

Использование в Крыму

Крым, это регион нашей страны, расположенный в зоне активного солнечного излучения, поэтому использованию гелиосистем здесь всегда уделялось особое внимание.

В промышленных масштабах, гелиоэнергетика Крыма развивалась как энергетическая система, обеспечивающая электрической энергией промышленные предприятия и бытовых потребителей. На полуострове запущены и успешно работают 13 солнечных электростанций общей установленной мощностью более 280,0 МВт.

Получение тепловой энергии за счет использования гелиосистем, также широко применяется, как на отдельных промышленных предприятиях, так и в частном секторе, где с их использованием осуществляется отопление и горячее водоснабжение.

Солнечный коллектор для отопления дома: виды, состав гелиосистем, расчет и особенности монтажа

Техногенная цивилизация требует все большего количества энергии для удовлетворения нужд промышленности и быта. Но современные способы её получения не дают полной гарантии благополучной перспективы. Природные месторождения углеводородного сырья постепенно исчерпываются.

К атомной энергетике после Чернобыля и Фукусимы возникло много вопросов по безопасности. Растиражированная тема термоядерного синтеза до сих пор не решена.

В качестве временного выхода из кризиса ученые предлагают использовать возобновляемые средства в виде солнечной, ветровой, геотермальной стихии, а также силу морских приливов и отливов.

Солнце как энергетический «вечный двигатель»

Звезда нашей планетной системы – Солнце, по современным оценкам еще просветит не один миллиард лет. Кроме света, она дает бесплатное тепло, которое можно использовать для отопления домов солнечными коллекторами. Эту технологию уже не один десяток лет успешно внедряют в странах Западной Европы, США, Японии.

  Там до 50% от общего количества вырабатываемой энергии для частного сектора приходится на долю фотоэлектрических устройств. Следует понимать, что они являются альтернативным источником энергопотребления. Их задача – выполнять поддерживающую функцию и экономить традиционные ресурсы в форме электричества, газа или угля.

От природного светила получают два вида энергии – тепловую и электрическую. Преобразователями тепла являются водяные коллекторы. Электроэнергию производят путем трансформации видимого спектра излучения с помощью фотоэлементов. Солнечные батареи для отопления дома можно использовать даже в зимнее время в отличие от водяной системы.

Принцип работы обеих конструкций в корне отличается, но они могут дополнять друг друга, увеличивая общую эффективность обогрева и снижая затраты на приобретение дорогого оборудования фотоэлектрического модуля.

Коллектор – это система металлических трубок, заполненных водой. Она нагревается и самотёком или с помощью циркуляционного насоса подается в систему отопления.

Электрическая гелиосистема представляет собой комплекс фотоэлектрических преобразователей (полупроводников), вырабатывающих постоянный электрический ток.

Поток солнечного света, доходящий до Земли в безоблачную погоду, составляет по мощности до 1400 Вт/м2. Через облака тепла проникает в 14 раз меньше. КПД современных преобразователей достигает 24%. Флексо-фотовольтаический эффект увеличил время жизни «горячих» электронов и позволил поднять энергоэффективность панелей до 66%.

Важно

Перспективной разработкой стали наноантенны. Они функционируют на прямом выпрямлении электротока под действием высокочастотного электромагнитного излучения с частотой до 500 ТГц в фотоприёмниках с диаметром до 300 нм. КПД такой термодинамической системы возрастает до 85%.

Но стоимость комплекта солнечных батарей для отопления дома для большинства населения слишком высока.

Виды, состав водяной гелиосистемы для частного пользования

Промышленность выпускает несколько типов солнечных коллекторов для установки в личном хозяйстве. Они отличаются по:

• назначению;
• внешнему виду;
• конструкции;
• принципу работы;
• сезонности эксплуатации.

В зависимости от назначения конструкцию можно использовать для обогрева дома, воды в бассейне, горячего водоснабжения. Внешне конструкция выполняется в виде радиаторов с плоским или круглым сечением.

Самотечный принцип работы позволяет экономить электроэнергию. Введение в состав оборудования циркуляционного насоса дает возможность ускорить прогрев воды в контуре прямой и обратной подачи.

Разрешается производить отопление дома солнечным коллектором зимой.

Наиболее популярным видом оборудования является гелиосистема с суточным аккумулированием тепла. Существенный ее недостаток – невозможность применения излишков накопленной энергии в летнюю пору.

Реализация сезонной концентрации тепла для частного домовладения не реальна, поскольку в землю нужно устанавливать и закапывать большие накопительные резервуары в объеме до 10 м3.

Такое количество воды (до 10 тонн) можно использовать разве что на приусадебном участке, и то не всегда.

В состав отопительной гелиосистемы входят:

• накопительный и теплообменный бак расширения;
• контроллёры солнечных систем;
• бойлер;
• насосы;
• блоки управления насосами;
• трубы.

Еще одним видом гелиосистемы являются вакуумные солнечные коллекторы для отопления дома. У них вместо металлических трубок устанавливаются стеклянные конструкции.

Особенностью является монтаж на крыше стеклянной трубчатой системы, внутри которой проходит теплоноситель. Он изолирован от внешней среды вакуумной прослойкой, которая не даст промерзнуть воде.

Герметичность достигается установкой уплотнителей. Обслуживание заключается в своевременной замене прокладок.

Монтаж, расчет и цена солнечных коллекторов для отопления дома

Солнечный коллектор крепится на предварительной собранной раме. На скатной крыше основанием является крепежная консоль из алюминиевого анодированного профиля, которую фиксируют сквозь покрытие кровли в стропильной балке на глубину до 10 см. Место выхода анкера через крышу герметизируется силиконовой резиной.  Встраиваемая в кровлю система позволяет сэкономить на черепице или шифере.

Установка производится на специальных браслетах, которые имеют изгиб, повторяющий форму черепицы. Такое огибание позволяет не делать отверстия в самой кровле и одновременно надежно фиксировать систему. Монтаж остальных элементов отопления выполняется в соответствии с законами гидродинамики, соблюдением уклонов для того, чтобы вода могла свободно циркулировать в случае отсутствия электроэнергии.

Важно! Запрещено монтировать крупногабаритные гелиоколлекторы, предназначенные для встраивания в крышу, на земле или плоской кровле. Следует строго выдерживать угол наклона к горизонту в диапазоне от 35 до 45°. Это обеспечит максимальную производительность оборудования.

Совет

Наиболее эффективные солнечные коллекторы находятся в южных областях. Устройство с рабочей площадью 1 м2 за год вырабатывает такое количество тепла, которое сопоставимо при сгорании 300 м3 природного газа.

При цене последнего в среднем по 6 рублей за 1 м3 сумма экономии составит 1800 рублей. Устанавливают три бойлера с рабочей площадью нагрева 2,5 м2.

Сэкономленной суммы вполне хватит, чтобы зимой полностью отказаться от газа.

Стоимость солнечного коллектора для отопления дома зимой меньше, чем цена проектирования, монтажа и подключения к уличному распределительному газопроводу. Если учесть стоимость газа, то это разница становится еще больше.

Расходная часть бюджета по обслуживанию гелиосистемы идет только на электроэнергию, необходимую для работы циркуляционного насоса.

Преимуществом солнечного радиатора является отсутствие сложных систем, безопасность и повышенный срок эксплуатации по сравнению с газовыми приборами.

Недостатком агрегата является его большая стартовая стоимость. Цена солнечного коллектора для отопления дома может достигать 1000 евро, а вместе с монтажными работами – больше 2000. Окупается система в течение 5-7 лет. Другой минус – непостоянство работы. Она зависит от солнечных дней. Поэтому такой обогрев является только дополнением к основному.

Сколько нужно солнечных батарей для отопления дома?

Устройство выгодно использовать для обогрева помещений в районах, где солнечных дней в году не меньше 200. Фотопанели вырабатывают электроэнергию и выдают её в домашнюю сеть на отопительные элементы. Для синхронизации с движением солнца по небосводу панели перемещаются вслед за светилом благодаря системе отслеживания.  Существует несколько типов солнечных батарей:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• аморфные.

Монокристаллические преобразователи представляют собой пластины из кристаллов кремния. Они имеют энергоэффективность в пределах 18%, температуру эксплуатации – 5-25°С.

Фотоэлементы их поликристаллов изготавливаются из вязкой кремниевой массы, постепенно отвердевающей до заданного состояния. Максимальное значение КПД -12%.

Аморфные или пленочные панели получают методом испарительной фазы кремния, оседающего на полимерной пленке. Имеет самую небольшую производительность – 7%.

Обратите внимание

Внешние элементы поглощают и трансформируют энергию фотонов в упорядоченное движение электронов (отрицательная проводимость n-типа). Их энергия концентрируется в аккумуляторе. Один элемент создаёт мощность, достаточную для работы одной лампочки от 100 до 250 Вт.

Панель площадью 30 м2 обеспечит светом небольшой дом. Но для отопления необходимо в разы больше энергии и преобразователь переменного тока — инвертор. Без него обогревательные ТЭНы  с распределительной разводкой работать не будут.

Купить солнечные батареи для отопления дома можно в специализированных магазинах.

Важно! Собрать домашнюю мини-электростанцию под силу только подготовленному мастеру. Он поставит систему на обслуживание и даст гарантию. Самостоятельный монтаж приведет к поломке дорогостоящего оборудования.

 Самая эффективная солнечная панель та, которая работает по гибридной схеме. Например, фотоэлементы параллельно подключены к ветрогенератору или общей электросети. Тогда гарантирована безотказная работа системы при отключении одного из элементов.

После монтажа всех компонентов инвертор подключается к водонагревателю. Мощность инвертора находится в пределах 250-6000 Вт. Увеличения мощности добиваются параллельным подключением нескольких инверторов.

В качестве накопителя энергии используются автомобильные или специальные аккумуляторы.

Для отопления дома и обеспечения его электричеством необходимо установить панели общей мощностью до 20 КВт. Цена комплекта солнечных батарей для отопления дома составляет от 1040600 рублей.

Важно

  Стоимость панелей с оборудованием, включающим инвертор, аккумуляторы в 10 и 15 КВт колеблется от 522 и от 847 тысяч рублей.

  Солнечные батареи для отопления загородного дома обойдутся чуть меньше – 484 тысяч рублей.

Как самостоятельно изготовить накопитель энергии солнца?

 Основной деталью устройства является абсорбер, состоящий из металлического листа, приваренного к трубкам. Они соединены с трубами подачи горячей воды и «обратки», которые устанавливаются горизонтально. Схема их подсоединения – диагональная. Это делается для увеличения мощности.

Абсорбер помещается в деревянный каркас и закрывается стеклом толщиной не менее 4 мм. Если стекол больше, то производительность увеличивается, но возрастает масса. Конструкцию нужно покрасить специальным жаростойким веществом.

Обычные лакокрасочные материалы вскоре начнут отставать от поверхности под действием высокой температуры. Абсорбер утепляется минеральным стекловолокном, так как температура нагрева достигает до 200°С.

Все деревянные конструкции изолируются от соприкосновения с металлом.

Накопительный бак, где хранится горячая вода, помещается в абсорбере и тоже защищается от температурного влияния внешней среды. В нем находится теплообменник из нержавеющей стали, меди. Входной патрубок соединяется с горячей водой, а выходной – с холодной.

Третий элемент конструкции – расширительный бак. Он соединен с накопителем и имеет контакт с наружным воздухом. Его задача состоит в регуляции уровня воды в системе и недопущения превышения объема и давления теплоносителя при нагревании.

Все емкости утепляются, в том числе, и расширительный бачок.

Принцип работы солнечного коллектора для отопления дома своими руками не отличается от промышленных установок. Нагретая в абсорбере солнцем вода поступает в теплообменник, а затем в систему отопления дома. Отдавая тепло, она остывает и возвращается в бак. На практике установлено, что для южных широт больше всего подходят коллекторы с плоскими элементами, а для северных – с трубчатыми.

Отзывы о солнечных коллекторах и батареях для отопления домов

Большинство пользователей альтернативными системами обогрева отмечают возросшую независимость от сетевых энергоисточников.

  Особенно это заметно при запланированных отключениях и аварийных остановках подачи света или газа.  В случае самостоятельного монтажа коллектора расходы были только на приобретение материалов.

Заметно снизились финансовые затраты в перерасчете на ежедневное потребление.

Например, пользователь гелиосистемы в Судаке отмечает, что применяет её для нагрева бассейна объемом 170 м3 и дежурного отопления в зимнее время. Он смонтировал 18 коллекторов, через год добавил еще 14 единиц. Зимой приходится прогревать дом, включая основную сеть. Поскольку температуры воды падает до 12°.

Летом возникает другая проблема – некуда девать воду, нагретую до 70°С. За семь лет эксплуатации владелец дважды менял контролер. Первый раз из-за неисправности, второй – по причине установки более современной модели.  Конструкция окупила себя за 4 года.

В перспективе вместо котла планирует подключить более выгодный тепловой насос.

Совет

Другой пользователь ГВС из Сум отмечает, что летние расходы покрыл на 100%. По его мнению, солнечные панели сегодня являются неотъемлемой частью инженерных систем домов.

Независимо от отрицательной температуры фотоэлектрические батареи компенсируют 4 часа теплопотерь. Если теплоноситель прогревается недостаточно (облачность, вечер), то он поступает в грунтовый накопитель, повышая температуру почвы до 20-25°С.

Летом гелиосистема играет главную роль при нагреве воды. Излишки снова поступают в подземный теплообменник.

Посмотрите видео «Как выбрать солнечный коллектор для дома»

Отопление дома с помощью гелиосистемы

Этот вид отопления позволяет использовать в качестве источника тепла дармовую энергию солнца. Гелиосистемы или гелиоустановки позволяют превращать эту энергию в тепловую и нагревать таким образом теплоноситель в системе водяного отопления дома или обеспечивать его горячей водой.

Принцип работы и виды гелиосистем

Принцип их работы основан на нагревании солнечными лучами теплоносителя, который циркулирует в солнечном коллекторе с последующей подачей его в бак-аккумулятор, откуда тепло подается в систему отопления или горячего водоснабжения дома.

Солнечный коллектор представляет собой панель с теплообменными элементами в виде пластин или вакуумных трубок. Попадая на их поверхность, солнечная энергия поглощается ими, тем самым нагревая теплоноситель до 90-110°С, который подается в накопительный бак емкостью 250-300 литров.

Он по своей конструкции очень похож на бойлер, также имеет внутренний теплообменник (один или два – в зависимости от количества контуров).

Иногда в него дополнительно монтируют электрический нагревательный элемент, который включается, если количества тепловой энергии, получаемой от солнца, недостаточно.

Количество контуров и способы циркуляции теплоносителя

—————————————————————– —————————————————————–

Гелиосистемы могут быть:

• одно- или двухконтурными;
• с естественной или принудительной циркуляцией.

В одноконтурных установках (рис. 1) вода в систему водоснабжения или отопления подается непосредственно из бака-аккумулятора. Она же нагревается и циркулирует в солнечном коллекторе. Такая система достаточно проста и имеет высокий КПД. Но имеет и существенные недостатки.

Для нормальной ее работы необходима качественная мягкая вода, если в систему подается жесткая вода, а она очень часто бывает именно такой в скважинах и колодцах, то это значительно сокращает эффективность и срок службы оборудования.

Кроме того, если в коллекторе циркулирует обычная вода, то в холодное время года она может просто замерзнуть.

Рис. 1 Одноконтурная гелиоустановка с естественной циркуляцией теплоносителя

Двухконтурные гелиосистемы (рис. 2) предполагают наличие двух контуров.

Рис. 2 Двухконтурная гелиоустановка с принудительной циркуляцией для отопления и горячего водоснабжения дома

Обратите внимание

В одном циркулирует теплоноситель, получающий энергию в коллекторе (это обычно незамерзающая жидкость) и, через теплообменник в накопительном баке, отдающий ее воде, которая нагреваясь таким образом поступает в систему горячего водоснабжения или отопления дома.

Такие системы имеют несколько меньший КПД, но зато могут эксплуатироваться при отрицательных температурах наружного воздуха, да и специальный теплоноситель не будет вызывать коррозии коллектора и не происходит отложение солей жесткости, как в случае использования в качестве теплоносителя воды из колодца или скважины.

Естественная и принудительная циркуляция теплоносителя

В гелиосистемах с естественной циркуляцией (рис. 1), она осуществляется за счет конвекции, то есть за счет того, что более теплая вода имеет меньшую плотность и поднимается вверх, а на место ее поступает более плотная – холодная. Чаще всего по такой схеме работают одноконтурные системы. Преимуществом таких систем является их независимость от наличия электроэнергии.

В системах с принудительной циркуляцией (рис.

2), для ее поддержания используется циркуляционный насос или, чаще всего — насосная станция, которая кроме самого насоса включает автоматику, регулирующую и запорную арматуру, воздушный клапан и расширительный бак.

Двухконтурные гелиосистемы, чаще всего, используют именно этот способ циркуляции. Хотя принудительная циркуляция является более эффективной по сравнению с естественной, но требует наличия электроэнергии для работы насоса.

Как выбрать гелиоустановку

Выбор вида гелиоустановки и ее мощности зависит от того назначения, для которого она предназначена и района проживания: количество солнечных дней в году и минимальная температура воздуха зимой. Так как в наших широтах зимой имеют место отрицательные температуры, то лучшим выбором будут двухконтурные установки с теплоносителем в виде незамерзающей жидкости.

Если с помощью гелиосистемы будет осуществляться только горячее водоснабжение дома, тогда потребуется установка меньшей мощности и соответственно меньшая площадь солнечного коллектора.

Если же с помощью солнечной энергии предполагается и отапливать дом, то здесь мощность установки и площадь коллекторов должна быть значительно большей. Так площади солнечного коллектора 4-6 м2 будет достаточно, чтобы обеспечить на 50-70% горячее водоснабжение в доме.

Площади 10-12 м2 уже должно полностью хватать для горячего водоснабжения и частично – для отопления.

Полное обеспечение дома тепловой энергией возможно только при площади солнечного коллектора больше 12 м2 . Хотя это зависит еще и от размеров самого дома и насколько эффективно он утеплен.

Если же солнечной энергии, в какой-то период для отопления будет недостаточно, например при значительном похолодании или отсутствии солнечной погоды, то для этого в отопительный контур параллельно подключают резервный котел: электрический, газовый или другой, в зависимости от доступности того или иного вида топлива.

Установка и ориентация

Солнечные коллекторы на крыше дома и перед бассейном

Солнечные коллекторы, в зависимости от их вида и площади, можно установить как на крыше дома, так и на открытой площадке возле дома, обязательно с южной стороны. Очень важное значение имеет и угол их наклона.

Чем он ближе к значению 90° по отношению к солнечным лучам, тем лучше будет нагреваться теплоноситель в них. Наилучшим вариантом здесь были бы системы с автоматическим регулированием угла наклона. Но такие гелиосистемы имеют большую стоимость.

Если же коллекторы закрепляются неподвижно, то они должны быть ориентированы на юг или максимально близко к этому направлению.

Срок окупаемости

Окупаемость гелиосистем зависит, как от самой их стоимости, так и он цены на традиционный виды энергии, которые используются для отопления в той или иной местности. Для Европы, где гелиоустановки пользуются наибольшей популярностью, срок окупаемости, в среднем, составляет до 5 лет.

Для средней полосы России, а также сопредельных стран он будет, как минимум, в два раза больше. Хотя, учитывая постоянный рост цен на энергоносители, со временем, он будет сокращаться.

При этом, необходимо учитывать, что даже используя гелиоустановки, как дополнительное отопление или для горячего водоснабжения можно экономить от 40 до 70% топлива других, традиционных видов.

Видео по теме: