Солнечные батареи для отопления дома: обзор разновидностей и правила выбора

Виды отопления с использованием альтернативных источников

Самый простой способ преобразования энергии светила в тепло – это использование солнечных батарей для отопления дома. Они все чаще используются в качестве дополнительных источников энергии. Но что же представляют собой эти устройства и действительно ли они эффективны?

Смотрим видео, виды и их особенности работы:

https://youtube.com/watch?v=JJdGio2dbag

Задача, установленного на крыше коллектора солнечного системы отопления для дома впитать как можно больше солнечного излучения, преобразовав его затем в так необходимую человеку энергию. Но при этом следует учитывать, что оно может быть превращено как в тепловую, так и электрическую энергию. Для получения тепла и подогрева воды используют солнечные системы отопления. Для получения электрического тока используют специальные батареи. Они аккумулируют энергию в дневное время суток и отдают ее ночью. Однако сегодня существуют и комбинированные системы. В них солнечные панели вырабатывают одновременно тепло и электричество.

Что касается солнечных водонагревателей для отопления дома, то они представлены на рынке широкой линейкой. Причем модели могут иметь различное назначение, дизайн, принцип работы, габариты.

Различные варианты

Например, по внешнему виду и конструкции системы отопления частного дома подразделяются на:

1. Плоские;
2. Трубчатые вакуумные.

По назначению они классифицируются на используемые для:

• Системы отопления и ГВС;
• Для нагрева воды в бассейне.

Есть отличия и принципе работы. Солнечное отопление с применением коллекторов является идеальным выбором для дачных домиков, так как не требуют подключения к электросети. Модели с принудительной циркуляцией подключают к общей системе отопления, в них циркуляция теплоносителя осуществляется при помощи насоса.

Смотрим видео, сравниваем плоский и трубчатый коллектор:

Не все коллекторы пригодны для солнечного отопления загородного дома. Согласно этому критерию они делятся на:

• Сезонные;
• Круглогодичные.

Первые применяются для отопления дачных строений, вторые в частных домовладениях.

Где данный метод отопления будет наиболее эффективен:

• Солнечные батареи подходят для районов, где количество солнечных дней в году большое. В зимний период батареи тоже могут работать хорошо, но только, если светит яркое солнце;
• На установленные батареи не должно падать никаких теней. Коллектор будет поглощать энергию эффективно, если будет расположен под прямым углом к инсоляции;
• Перед установкой солнечных батарей отопления проводится обязательное утепление жилого дома;
• Интенсивность поглощения энергии солнца наиболее эффективна в середине дня. Плоскости в это время должны быть ориентированы на юг;
• Специалисты советуют комбинировать солнечное отопление с газовым или электрическим.

Кремниевые панели

солнечные батареи

Этот материал используется в качестве основы для нанесения слоев вещества N и P, между которыми образуется электричество.

Полезно знать: около 90% всех солнечных батарей в мире являются кремниевыми.

Кремниевые панели, в свою очередь, можно разделить на три основных подвида:

1. Поликристаллические кремниевые панели.
2. Монокристаллические панели.
3. Аморфные модули.

Какой из них лучше, станет понятно после детального анализа каждого вида, который следует ниже.

Внешне поликристалл можно отличить по неоднородной окраске его поверхности. В ней присутствуют разные оттенки синего цвета, от темно-синего до голубого. КПД таких пластин составляет около 15%.

Внимание совет: если вам нужны недорогие фотоэлектрические элементы для дома и дачи, то лучшего решения, чем поликристалл, вам не найти. Стоят они дешевле, чем панели из монокристаллического кремния, и способны обеспечивать дом достаточным количеством электричества.

Расплавленный кремний, контактируя с затравкой, отвердевает, образуя чистейший материал

Изделию придается цилиндрическая форма, из которой потом нарезаются тончайшие пластины

Расплавленный кремний, контактируя с затравкой, отвердевает, образуя чистейший материал. Изделию придается цилиндрическая форма, из которой потом нарезаются тончайшие пластины.

Процесс изготовления пластин очень дорогостоящий, поэтому солнечные батареи стоят не мало. В подобных пластинах атомы кремния ориентированы таким образом, что их электронам легче покидать свои орбиты. Благодаря этому КПД батарей достигает 20%. Это отличный вариант, как для дачи, так и для жилого помещения.

Возьмите на заметку: если средства позволяют, то лучше монокристаллических батарей вам не найти. Они эффективно работают на протяжении 25 лет, постепенно снижая свой КПД не более чем на 20%.

Батареи, сделанные на основе аморфного кремния, справляются со своей задачей даже в пасмурную погоду. Для батарей этого типа нормальными являются следующие условия:

• запыленный воздух;
• дождь;
• закат;
• рассвет.

В основе элементов лежит кремневодород (SiH4). Кремний подвергают действию электрического разряда. Он испаряется и оседает на подложку тонким слоем, не превышающим 1 мкм.

Подложка может быть выполнена из таких недорогих материалов, как:

• металл;
• полимерная пленка;
• керамика;
• качественное стекло.

Разновидности

В самом широком понимании термин «солнечная батарея» означает некоторое устройство, которое позволяет преобразовывать излучаемую Солнцем энергию в удобную форму с целью последующего использования в различных сферах человеческой жизнедеятельности. Для обогрева домов используются два типа солнечных батарей.

Фотоэлектрические элементы

Батареи этого класса часто называют преобразователями, поскольку с их помощью энергия солнечного излучения преобразуется в электрическую. Такое превращение стало возможным благодаря свойствам полупроводников. Ячейка фотоэлемента состоит из двух материалов, один из которых обладает дырочной проводимостью, а другой – электронной.

Фотоэлектрические элементы

Поток фотонов, из которых состоит солнечный свет, заставляет электроны покинуть свои орбиты и мигрировать через Pn-переход, что и является, собственно, электротоком.

По виду используемых материалов различают три вида фотоэлектрических батарей: кремниевые, пленочные и концентраторные.

Кремниевые

К этому типу относится более трех четвертей выпускаемых сегодня солнечных электробатарей. Это обусловлено распространенностью кремния в земной коре, а также тем, что большинство технологий в сфере производства полупроводниковой электроники было ориентировано на работу именно с этим материалом.

В свою очередь элементы на базе кремния делятся на две разновидности:

• монокристаллические: наиболее дорогой вариант, КПД составляет 19% – 24%;
• поликристаллические: более доступны, но имеют КПД в пределах 14% – 18%.

Пленочные

При производстве фотоэлементов данной группы используются полупроводники, имеющие более высокий, чем у моно- и поликристаллического кремния, коэффициент поглощения света.

Это позволило на порядок уменьшить толщину элементов, что положительно отразилось на их стоимости. Применяются следующие материалы:

• теллурид кадмия (КПД – 15% – 17%);
• аморфный кремний (КПД – 11% — 13%).

Концентраторные

Эти батареи имеют многослойную структуру и характеризуются самой высокой эффективностью – около 44%. Основным материалом при их производстве является арсенид галлия.

Комплектация отопительной системы

Отопительная система на базе фотоэлектрических батарей состоит из следующих компонентов:

• собственно батареи;
• аккумулятор;
• контроллер: управляет процессом зарядки аккумулятора;
• инвертор: преобразует постоянный ток от батареи или аккумулятора в переменный с напряжением 220 В;
• конвектор, водогрейный котел или любой другой тип электрообогревателя.

Сетевая фотоэлектрическая система

Солнечные коллекторы

Батареи данной разновидности состоят из нескольких выкрашенных в черный цвет трубок, через которые перекачивается циркулирующий в системе отопления теплоноситель. При этом тепловая энергия солнечного излучения без всякого преобразования усваивается рабочей средой. В большинстве случаев в ее качестве используется смесь на основе пропиленгликоля (имеет свойства антифриза), но существуют и коллекторы, ориентированные на работу с воздухом. Последний после подогрева подается прямо в отапливаемое помещение.

Солнечные коллекторы

В самом простом исполнении солнечный коллектор называется плоским. Он выполняется в виде бокса из стекла с темным покрытием, которое находится в контакте с проходящим по трубкам теплоносителем. Более сложное устройство имеют вакуумные коллекторы. В таких батареях трубки с теплоносителем помещены в герметичный стеклянный корпус, из которого откачивается воздух. Таким образом, содержащие рабочую среду трубки окружаются вакуумом, который исключает потери тепла от контакта с воздухом.

Очевидно, что изготовление солнечных коллекторов основывается на более простых технологиях, чем производство фотоэлементов. Соответственно, и стоимость они имеют более низкую. При этом КПД таких установок достигает 80% — 95%.

Комплектация гелиосистемы

Основными элементами гелиосистемы (системы солнечных батарей для дома) являются:

• солнечный коллектор;
• циркуляционный насос (в системах с естественной циркуляцией теплоносителя он может отсутствовать, но они являются малоэффективными);
• емкость с водой, играющая роль теплового аккумулятора;
• контур водяного отопления, состоящий из труб и радиаторов.

Схема реализации гелиосистемы с поддержкой отопления с суточным аккумулированием энергии

Монтаж

Монтаж отопления от солнечных батарей можно сделать своими руками, но лучше обратиться к специалистам – солнечные батареи дорогостоящи, а от правильности установки зависит ее долговечность и эффективность.

Сам солнечный коллектор размещают на хорошо освещаемой солнцем стороне с отклонением от юга максимум на 30° на восток или запад. Накопительную систему можно установить в подвале дома: она разбирается на детали и монтируется прямо в том помещении, где планируется ее поставить. Часто установка монтируется из нескольких небольших накопителей.

При этом лучше выбирать панельный тип отопления в сочетании с хорошим утеплением дома.

Сколько требуется элементов для получения нужных параметров?

Как выбрать солнечную батарею по количеству кремниевых диодов? Каждый такой элемент может выдавать максимум 0,5 В. Стандартные солнечные модули могут дать 12 В и содержат 36 одинаковых элементов, а их мощность зависит от габаритов каждого элемента. Практически солнечные панели собираются из указанных модулей, которые могут зарядить аккумулятор, так как на выходе у них напряжение достигает 18 В. Запас нужен для компенсации потерь в проводах и контроллере.

Существуют модули, в которых соединены 72 элемента. Они могут дать 24 В.

Но есть и модульные конструкции, которые при указанном количестве элементов могут давать 12 В. Надо учитывать, что подобные типы панелей стоят намного дешевле стандартных, так как их набирают из оставшихся отходов солнечных элементов.

То есть используются не полные квадраты, а отрезанные от них треугольники и другие геометрические фигуры. Надежность таких батарей сравнительно низкая, так как в них намного больше стыков и соединений, а также микротрещин во внутренних структурах элемента.

Но во многих случаях покупателю приходится сталкиваться с нестандартными батареями, в которых не 36 или 72 элемента, на намного больше. Тогда надо учесть, что обычный PWM-контроллер для таких конструкций не подходит, так как потери мощности могут составить около 35 % от номинала. Для этих установок предусмотрен MPPT-контролер.

Таким образом, если покупатель хочет воспользоваться стандартными блоками по 12, 24 или 48 В, то ему надо подбирать панели с числом элементов, кратным 36. В этом случае нормальную работу всего устройства может обеспечить PWM-контроллер.

Что представляют собой солнечные батареи?

Уже давно датируется тот день, когда были изобретены устройства, которые могут заряжаться от света. Еще в 90-х годах человечество ознакомилась с такими изобретениями, как батарейки для часов, калькуляторов и других мелких устройств. Ученые из других стран научились использовать энергию солнечных лучей несколько раньше, чем наши отечественные исследователи. Некоторый опыт есть и у наших специалистов, поэтому сейчас необходимо только заняться усовершенствованием некоторых достижений и результатов.

Строение солнечной батареи

Удачным достижением можно назвать использование солнечных лучей для организации отопительной системы частного или загородного дома. Солнечная система отопления входит в категорию альтернативных, особенно в тех странах, где солнце светит более 20 дней в месяц. Стандартные системы отопления дорогостоящие не только в плане организации, но и в плане коммунальных тарифов. Альтернативные отопительные системы помогут избавиться от зависимости коммунальных контор.

Преимущества солнечных батарей

О главном преимуществе современных моделей солнечных установок для разработки высокотехнологичной системы отопления дома мы уже сказали – безусловно. Это уникальная способность аккумулирования и эффективного расходования электроэнергии в течение всего дня. К прочим достоинствам можно отнести:

1. Возможность накопления и дальнейшей трансформации энергии даже при отсутствии солнечных лучей. Подобные альтернативные источники прекрасно функционируют в пасмурную и облачную погоду.
2. Возможность достижения полной автономии основных жизненно важных коммуникаций, хотя в некоторых климатических поясах солнечные установки целесообразно использовать лишь в качестве дополнительных источников обогрева.
3. При отсутствии централизованного отопления, света, невозможности подключения к газовым или дизельным электростанциям, или в условиях лимитирования потребляемой электроэнергии монтаж солнечных моделей может стать единственным методом получения качественной системы обогрева частного или загородного дома.
4. Модернизированные солнечные установки позволяют не только производить тепло, но и получать электрическую энергию для бытовых целей.
5. Благодаря применению емких аккумуляторов, Вам предоставляется уникальная возможность расходовать в абсолютно любое время суток и в любых объемах накопленную днем электрическую энергию.
6. Полная автоматизация установок на солнечных батареях и возможность использования в различных режимах позволит Вам создать наиболее комфортный температурный режим в помещении, снизить нагрузку на систему обогрева и существенно увеличить срок их эксплуатации.

Невзирая на дороговизну солнечных модулей, необходимо четко понимать, что такая высокотехнологичная конструкция окупит себя уже в самое ближайшее время.

Основные типы

Перед тем как отправиться за покупкой панелей и установить их на крыше своего дома, нужно тщательно разобраться в рабочих характеристиках, принципе работы и других особенностях оборудования. С технической точки зрения панель представляет собой фотоэлектрическую систему электроснабжения, которая преобразовывает солнечные лучи в источник электроэнергии и работает по принципу физического закона фотоэффекта.

В течение двух столетий ученые работали над усовершенствованием подобных установок, поэтому современные батареи демонстрируют отличные результаты и являются высокопродуктивными. Показатели КПД новых панелей варьируются в диапазоне от 1 до 46%. Более того, на рынке представлены десятки моделей подобного оборудования, которые отличаются не только своими техническими характеристиками, но и эффективностью работы и преимуществами. В настоящее время все типы солнечных систем, доступных на рынке, относятся к трем группам:

1. Первая категория включает в себя установки, которые работают автономно и без взаимодействия с централизованной электрической сетью. Работа таких панелей базируется в собственном контуре, что позволяет запускать прямое электропитание бытовых приборов. Встроенные аккумуляторы способны накапливать энергию на долгое время, что необходимо для восстановления электроснабжения при падении интенсивности солнечного света или превышении потребляемой мощности выше допустимого уровня.
2. Вторая группа солнечных панелей состоит из открытых ФСЭ. В конструкции таких систем не предусмотрены аккумуляторы, при этом они зависимы от общей сети электропитания. Если уровень потребляемой мощности не превышает значение вырабатываемой, тогда основная сеть отсоединяется. В противном случае ФСЭ отключится, а электроэнергия будет поставляться основной сетью. Представители второй категории характеризуются максимальной надежностью, дешевизной и доступностью.
3. К третьей категории солнечных батарей относятся комбинированные системы. Они совмещают в себе свойства двух предыдущих типов, что гарантирует высокий показатель КПД и открывает дополнительное свойство — оставшаяся энергия, которая вырабатывается или накапливается панелью, передается в основную сеть и может использоваться для коммерческих целей.

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.

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 2021 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.

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.

Как установить своими руками ↑

Прежде всего нужно определиться с местом размещения установки. От этого зависит эффективность работы батареи, их КПД.

Оптимальным считается южный скат крыши. Как правило, установленный элемент и направление луча должны составлять 40-60°, хотя более предпочтительным является вариант, допускающий регулировку.

Рекомендации по установке ↑

• Между модулем и крышей необходимо оставлять вентзазор. Он необходим для рассеивания избыточного тепла с нижней стороны устройства.
• Крепеж выполняют либо при помощи прижимных фиксаторов, либо болтов, для которых на нижнем крае рамы предусмотрены отверстия. Крепежные элементы должны иметь антикоррозийное покрытие.

Внимание! Корпус конструкции категорически нельзя сверлить или дорабатывать другим способом. Любая подобная «самодеятельность» чревата прекращением гарантии

• Солнечную панель подключают согласно инструкции производителя, не нарушая правил электробезопасности. Для монтажа используют одножильные провода из меди с минимальным сечением в 4 кв. мм. Если провода неустойчивы к УФ-излучению, то их необходимо прятать в гофр для наружных работ.
• Для подключения используют специальные коннекторы МС4. На устройствах имеются все необходимые разъемы. Перед его включением систему проверяют на соответствие данным, указанным в паспорте.

На заметку

Если напряжение при холостом ходе системы не соответствует указаниям в паспорте, значит установка выполнена неверно.

И еще одно замечание: максимальный ампераж и напряжение гарнитуры батарей не должен быть больше параметров дополнительных электроприборов: контроллера и преобразователя.

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.

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.

Преимущества и недостатки

Плюсы использования подобного отопления:

• тепло доступно в любое время года;
• есть возможность настраивания необходимого уровня температуры;
• частичная электроэнергия и отопление становятся автономными, не требуя оплаты;
• у батареи долгий срок службы без необходимости ремонта.

Минусы

Минусы отопления от солнечных батарей:

• батареи неактуальны в некоторых климатических поясах с коротким световым днем;
• высокие первоначальные затраты: на семью из 4-5 человек нужна установка примерно на 14-22 м²;
• требовательны к расположению: размещение должно быть на южной части, куда смогут беспрепятственно попадать лучи;
• крыша должна быть примерно 35-45 м², чтобы нормально обогреть дом.

Однако минусы не останавливают пользователей: установки служат очень долго и показывают высокую эффективность, что и делает их все более популярными.

https://youtube.com/watch?v=Oks01OKCzQM