Принцип работы солнечных батарей для отопления частного дома

Тип солнечных батарей и их комплектация

Разделение солнечных батарей происходит по мощности. Здесь два типа:

1. Малой мощности – 12-24 в. Этой энергии хватить, чтобы обеспечить электричеством несколько бытовых приборов. К примеру, телевизор или компьютер, можно полностью осветить дом.
2. Большой мощности. Это целая система, которая будет обеспечивать электроэнергией не только бытовые приборы и освещение, но и систему отопления. Можно по мощности подобрать батареи так, чтобы ее хватило только на определенные нужды. К примеру, только на отопление.

Если говорить о комплектации отопления от солнечных батарей, то в нее входят:

• Солнечные элементы коллекторного типа. Их еще называют вакуумные.
• Контролер, который контролирует работу всей системы в целом. Очень необходимый прибор, от работы которого зависит эффективность работы всего отопления.
• Циркуляционный насос, который гонят воду от накопительного бака через коллектор по всей системе отопления.
• Накопительный резервуар для теплоносителя. Его объем может варьироваться в пределах 500-1000 литров.

Нюансы расчета мощности

Чтобы точно определить необходимую мощность солнечных батарей, нужно определиться, на какие цели будет использована потребляемая энергия. А это будет зависеть от площади и объема дома, от количества проживающих в нем человек и от периодичности потребления этой энергии.

К примеру, семья из трех-четырех человек потребляет 200-500 кВт в месяц. И это только общее потребление на освещение, приборы и отопление. Если сюда прибавляется горячее водоснабжение, то мощность солнечных элементов придется увеличить. То же самое относится к системе отопления «теплый пол». Кстати, с теплыми полами мощность рассчитывается из соотношения 10 м² пола на 1м² плоскости солнечного элемента. Если используется обычное водяное трубное отопление, где установлен обычный электрический нагревательный котел, то соотношение будет другим: 1000 кВт/ч на один квадратный метр площади дома в год

Обратите внимание – в год. Если сравнивать это потребление, переводя его на использование природного газа, то соотношение будет таким: 100 л газа на 1 м²

В настоящее время производители предлагают высокомощные солнечные батареи компактных размеров. Есть на рынке модели площадью 4 м², которые в год могут выдавать 2000 кВт/ч.

Специалисты же считают, что для российских климатических условий отказ от основных способов обогрева помещений – это неправильное решение. Солнечные батареи зимой будут работать неэффективно, так что проблемы с внутренней температурой будут возникать всегда. Оптимальный вариант – комбинированный подход к решению данной задачи. То есть использовать традиционные виды топлива для отопительной системы, а солнечные батареи использовать как вспомогательный вариант.

Особенности установки.

Отопление от солнечных батарей в значительной мере зависит от правильности их установки. Предлагаем несколько советов, которые помогут обеспечить получение максимальной электроэнергии:

• необходимо проверить прочность поверхности, на которую планируется монтировать солнечные батареи;
• должна быть выполнена правильная их ориентация относительно солнца;
• необходимо установить правильный угол наклона;
• проверить, чтобы их не затеняли другие предметы.

Экран на батарею отопления своими руками. — здесь больше полезной информации.

Солнечные батареи для отопления дома рекомендуется монтировать на южном склоне крыши. В идеальном варианте их наклон желательно обеспечить в соответствии с географической широтой местности. Поверхность панелей в таком положение будет получать под прямым углом максимальный поток света. Тень от деревьев, соседних сооружений, от антенны. Ведь даже небольшой затененный участок будет значительно снижать эффективность выработки электроэнергии.

Определившись с участком монтажа солнечных панелей, необходимо проверить прочность кровельной конструкции. Если возникнут сомнения, тогда лучше усилить ее.

Вас заинтересует эта статья — Как выбрать электрокотел для отопления?

Во время эксплуатации производители рекомендуют производить периодическую очистку поверхности солнечных батарей от пыли, грязи, снега зимой. Так как это существенно влияет на их производительность.

Установка солнечных батарей, видео:

Правила установки солнечных панелей.

Производители солнечных батарей в основном поставляют в комплекте все необходимые элементы крепления для любого варианта монтажа. Поэтому установку панелей можно выполнить своими руками. Учитывая конструктивные особенности кровельной поверхности, существует несколько способов монтажа:

• наклонный – при любом угле наклона ската;
• горизонтальный – если плоская крыша;
• свободностоящий – располагают их на опорных специальных конструкциях;
• интегрированный – солнечные панели являются элементами конструкции здания.

При установке солнечных батарей на плоскую крышу необходимо обеспечить зазор между ними и поверхностью кровли. Это исключит нагрев светоприемных элементов и существенное снижение их производительности. На темных крышах желательно проложить светлое покрытие. Это обеспечит хорошее дополнительное рассеивание светового потока и будет препятствовать перегреву панелей. При установке батарей в несколько рядов между ними должно быть расстояние, составляющее 1,7 от высоты панелей.

Несмотря на простоту установки для ее выполнения желательно обратиться к специалистам

В этом случае вы получите качественный монтаж по всем правилам и главное – гарантийное сервисное обслуживание и ремонт на весь период эксплуатации, что немаловажно при высокой стоимости солнечных батарей

Изготовление коллектора своими руками

Мини-модель солнечной батареи из подручных материалов

При приобретении готового комплекта схема подключения солнечных батарей обычно указывается в прилагающейся документации. Но некоторые жильцы предпочитают собрать самодельный коллектор в домашних условиях. Простой агрегат делается из подручных материалов с использованием в качестве основы змеевидной конструкции, изъятой из устаревшего или сломавшегося холодильника.

Чтобы смастерить коллектор, потребуется приготовить:

• фольгу и стеклянный лист;
• змеевик от холодильника (с него же можно демонтировать связывающие хомуты и задействовать их в новом агрегате);
• реечные элементы для создания каркаса;
• ленту скотча;
• крепежные элементы – шурупы и винты;
• коврик из резины;
• бак для жидкости;
• подающие и сливные трубы.

Змеевик сначала отмывают от грязи, пыли и следов фреона, а затем вытирают насухо. Рейки обтесывают под габариты змеевидной конструкции из такого расчета, чтобы она помещалась в смонтированный из них каркас. Затем требуется соединить рейки друг с другом. Ковер из резины должен соответствовать размерам каркаса. При необходимости лишнее обрезают. В процессе соединения реек нужно сделать в стенках маленькие отверстия, чтобы туда проходили змеевиковые трубки, если их требуется вывести.

Коврик сверху застилают слоем фольги. Если приходится использовать для покрытия малогабаритные нарезки, их соединяют скотчем. Затем укладывают реечную конструкцию, а после – змеевик, который фиксируется хомутами. Последние надлежит закрепить с противоположной стороны с помощью винтиков. С нее же производится прибивание реек, чтобы конфигурация стала жестче.

Если между рейками и фольгой обнаружились щели, их полагается заклеить скотчем. Это обеспечит сведение потерь тепла к минимуму и увеличит КПД готовой установки. Когда агрегат будет готов, на него помещают стеклянное покрытие. Затем производится проклейка скотчем по всему периметру изделия.

Варианты самостоятельной сборки нагревательной системы

На сегодняшний день существует несколько способом сборки солнечного обогревателя своими руками. Рассмотрим наиболее популярные способы сборки.
Первый вариант. Здесь нужна оцинкованная тара для воды. Она должна иметь объем примерно 100-200 литров. Технология создания солнечной батареи имеет следующий алгоритм:

• располагаем тару на крыше. Ее следует монтировать с южной стороны крыши;
• поверхность крыши нужно покрыть металлическим листом с блестящей поверхностью;
• поверх него кладем трубы;
• подключаем их к бочке и емкости для нагретой воды.

Вариант солнечного самодельного коллектора

С помощью такой батареи 100 литров воды можно нагреть на 60 градусов. Такая установка имеет высокий КПД. Но в зимнее время такой агрегат будет не эффективным.
Второй вариант сборки. Для создания такого типа коллектора вам понадобятся:

• стальные коробки;
• несколько плоских стальных радиаторов;
• стекло;
• металлопластиковые элементы — фитинги и трубы.

Сборки системы в данном случае происходят следующим образом:

• стальные коробки монтируются на крыше;
• туда укладываются радиаторы;
• сверху накрываем их стеклом. Это позволит уменьшить время нагрева воды;
• трубки нужно укладывать с уклоном вниз;
• обязательно следите, чтобы верх устройства располагался ниже накопительного бака;
• на чердаке устанавливается пластиковая бочка с водой. Подходящий объем — 160 л;
• ее нужно соединять с радиатором и водопроводом при помощи металлопластиковых устройств — фитингов и трубок. Саму трубку с водой нужно подключить несколько выше его середины бака;
• внизу радиатора ставятся дренажные краны. С их помощью происходит слив воды в холодное время суток.

Вариант с пластиковой бочкой

Третий вариант. Применяется для обогрева достаточно большого помещения. Имеет эффективность на уровне 45-55%. Для создания системы обогрева такого типа вам понадобятся следующие материалы:

• любой теплоизоляционный материал;
• деревянная рамка, имеющая фанерное днище;
• сетка из металла черного цвета;
• дефлектор;
• прозрачный лист поликарбоната;
• несколько вентиляторов

Сборка конструкции осуществляется следующим образом:

• сверлим в рампе круглые отверстия. Они прорезаются для забора воздуха;
• для отвода горячего воздуха делаем прямоугольные отверстия вверху рамы;
• на ее дно кладем теплоизоляционный материал. В качестве аккумулятора тепла будет выступать металлическая черная сетка;
• вентиляторы, встраиваемые в круглые отверстия;
• затем монтируем опорные планки для дефлектора. После этого устанавливаем сам дефлектор. Он будет формировать воздушный поток;
• сверху устанавливаем прозрачный лист.

С помощью такого агрегата можно эффективно осуществлять обогрев дома, а также нагрев воды.

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.

Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:

• Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
• Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
• Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
• Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
• Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.

• При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
• Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
• Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Принцип работы солнечных батарей

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

• Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
• Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
• Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Выбор солнечного коллектора и его монтаж

Перед домовладельцем, решившим создать солнечное отопление частного дома своими руками, встает задача выбрать наиболее подходящий тип коллектора. Этот вопрос достаточно сложен, но разобраться в нем необходимо.

Открытые коллекторы не подойдут из-за низких возможностей, поэтому о них нет смысла говорить. Обычно выбор производится между трубчатыми и плоскими видами. Первым и самым значимым критерием выбора обычно становится соотношение цены и качества изделий.

Такой подход оправдан, но нельзя не учитывать ремонтопригодность. Так, вакуумные трубки можно менять далеко не во всех видах коллекторов, что делает выбор рискованным. При выходе из строя одной из них у некоторых видов коллекторов придется менять всю панель, что потребует расходов. Вообще, все вакуумные устройства — довольно рискованное приобретение, так как любое механическое воздействие грозит потерей источника тепловой энергии.

Выбрав оптимальный вариант, приступают к монтажу. Для него надо выбрать подходящую площадку, расположенную неподалеку от дома

Это важно, поскольку транспортировка теплоносителя на большие расстояния потребует качественного утепления и установки циркуляционного насоса. Обычно коллекторы устанавливают на крышу, чтобы получить возможность циркуляции самотеком. Единственной проблемой становится расположение скатов относительно положения солнца на небе — иногда приходится устанавливать трекинг-систему для поворота панелей

Это дорого и требует использования гибких трубок, но эффект в результате получается значительно выше.

Сравнительные характеристики некоторых видов солнечных коллекторов

Основной характеристикой любого солнечного коллектора является его производительность. В зависимости от конструктивных особенностей и разности температур определяется КПД системы. при этом стоит учесть, что стоимость плоских коллекторов значительно ниже, чем аналогичный показатель трубчатых систем.

Выбирая солнечный коллектор, следует внимательно изучить параметры, от которых зависит эффективность солнечного водяного отопления и мощность конструкции.

Солнечные коллекторы имеют ряд достаточно важных характеристик:

• По коэффициенту адсорбции можно определить отношение общей и поглощенной энергии солнечного излучения.
• По коэффициенту эмиссии определяется отношение количества переданного тепла и поглощенной энергии.
• Соотношение общей и апертурной площади.
• Коэффициент полезного действия.

Назначение гелиоколлектора, его достоинства и недостатки

Солнечный водонагреватель (жидкостной гелиоколлектор) — это устройство, которое с помощью энергии Солнца нагревает теплоноситель. Он применяется для отопления помещений, организации горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах и т. д.

Солнечный коллектор обеспечит дом горячей водой и теплом

Предпосылками для использования экологичного водонагревателя является тот факт, что солнечное излучение падает на Землю круглый год, хоть и отличается интенсивностью зимой и летом. Так, для средних широт суточное количество энергии в холодное время года достигает 1–3 кВт*ч на 1 кв.м, тогда как в период с марта по октябрь эта величина варьируется от 4 до 8 кВт*ч/м2. Если же говорить о южных регионах, то цифры можно смело увеличивать на 20–40%.

Как видно, эффективность работы установки зависит от региона, но даже на севере нашей страны гелиоколлектор обеспечит потребность в горячей воде — главное, чтобы на небе было поменьше туч. Если же говорить о средней полосе и южных областях, то работающая от Солнца установка сможет заменить бойлер и перекрыть потребности теплоносителя отопительной системы в зимнее время. Разумеется, речь идёт о производительных водонагревателях в несколько десятков квадратных метров.

Таблица: распределение солнечной энергии по регионам

Средняя дневная сумма солнечной радиации,кВт*ч/м2
Мурманск	Архангельск	Санкт-Петербург	Москва	Новосибирск	Улан-Удэ	Хабаровск	Ростов-на-Дону	Сочи	Находка
2,19	2,29	2,60	2,72	2,91	3,47	3,69	3,45	4,00	3,99
Средняя дневная сумма солнечной радиации в декабре, кВт*ч/м2
0,05	0,17	0,33	0,62	0,97	1,29	1,00	1,25	2,04
Средняя дневная сумма солнечной радиации в июне, кВт*ч/м2
5,14	5,51	5,78	5,56	5,48	5,72	5,94	5,76	6,75	5,12

Достоинства солнечных водонагревателей:

• относительно простая конструкция;
• высокая надёжность;
• эффективная эксплуатация независимо от времени года;
• длительный срок службы;
• возможность экономии газа и электроэнергии;
• не требуется разрешение на установку оборудования;
• небольшая масса;
• простота монтажа;
• полная автономность.

Что касается отрицательных моментов, то без них не обходится ни одна установка для получения альтернативной энергии. В нашем случае к минусам относятся:

• высокая стоимость заводского оборудования;
• зависимость КПД гелиоколлектора от времени года и географической широты;
• подверженность градобитию;
• дополнительные затраты на установку теплоаккумулирующей ёмкости;
• зависимость энергетической эффективности прибора от облачности.

Рассматривая плюсы и минусы солнечных водонагревателей, не стоит забывать и об экологической стороне вопроса — подобные установки безопасны для человека и не наносят вреда нашей планете.

Заводской гелиоколлектор напоминает конструктор, с помощью которого можно быстро собрать установку требуемой производительности

Способы подключения к системе отопления

Поскольку устройства на солнечной энергии не могут обеспечить стабильное и круглосуточное снабжение энергией, необходима система устойчивая к этим недостаткам.

Для средней полосы России солнечные устройства не могут гарантировать стабильный приток энергии, поэтому используются как дополнительная система. Интегрирование в существующую систему отопления и горячего водоснабжения отличается для солнечного коллектора и солнечной батареи.

Схема подключении теплового коллектора

В зависимости от целей использования теплового коллектора применяются разные системы подключения. Вариантов может быть несколько:

1. Летний вариант для горячего водоснабжения
2. Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения

Летний вариант наиболее простой и может обходится даже без циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.

Вода нагревается в солнечном коллекторе и за счет теплового расширения поступает в бак-аккумулятор или бойлер. При этом происходит естественная циркуляция: на место горячей воды из бака засасывается холодная.

Зимой при отрицательных температурах прямой нагрев воды не возможен. По закрытому контуру циркулирует специальный антифриз, обеспечивая перенос тепла от коллектора к теплообменнику в баке

Как любая система основанная на естественной циркуляции работает не очень эффективно, требуя соблюдения необходимых уклонов. Кроме того, аккумулирующий бак должен быть выше чем солнечный коллектор.

Если Вы хотите действительно добиться максимально эффективной работы солнечного коллектора, схема подключения усложниться.

Чтобы ночью коллектор не превратился в радиатор охлаждения необходимо прекращать циркуляцию воды принудительно

По системе солнечного коллектора циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительную циркуляцию обеспечивает насос под управлением контроллера.

Контроллер управляет работой циркуляционного насоса основываясь на показаниях как минимум двух температурных датчиков. Первый датчик измеряет температуру в накопительном баке, второй — на трубе подачи горячего теплоносителя солнечного коллектора. Как только температура в баке превысит температуру теплоносителя, в коллекторе контроллер отключает циркуляционный насос, прекращая циркуляцию теплоносителя по системе.

В свою очередь при понижении температуры в накопительном баке ниже заданной включается отопительный котел.

Схема подключения солнечной батареи

Было бы заманчиво применить схожую схему подключения солнечной батареи к электросети, как это реализовано в случае солнечного коллектора, накапливая поступившую за день энергию. К сожалению для системы электроснабжения частного дома создать блок аккумуляторов достаточной емкости очень дорого. Поэтому схема подключения выглядит следующим образом.

При снижении мощности электрического тока от солнечной батареи блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей элетросети

С солнечных панелей заряд поступает на контроллер заряда, который выполняет несколько функций: обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Далее электрический ток поступает на инвертор, где происходит преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.

Использование солнечных батарей выгодно тем, что они предоставляют более универсальный вид энергии, но при этом не могут сравнится по эффективности с солнечными коллекторами. Однако последние не обладают возможностью накапливать энергию в отличие от солнечных фотоэлектрических батарей.