Как обеспечить автономное отопление дома с помощью солнца

Солнечные батареи, установленные на дачном доме

Что следует учесть на этапе проектирования?

Перед тем как установить автономную электростанцию, важно выбрать наиболее подходящее место для установки солнечных панелей, их тип и назначение. В соответствии с этими критериями определите параметры солнечных батарей и комплектующего оборудования. Если вы собираетесь использовать домашнюю электростанцию для выработки электроэнергии номиналом в 220 В, то вам понадобятся такие элементы:

Что следует учесть на этапе проектирования?

Рис. 1: устройство солнечной электростанции

  • Фотоэлектрический преобразователь – позволяет генерировать электрическую энергию из солнечного излучения посредством химической реакции. Характеризуются мощностью на 1м2 площади, производительностью и типом. Общее количество выбирается в зависимости от нужд потребителя и планируемых объемов выработки.
  • Аккумуляторная батарея – накапливает электрический заряд, получаемый от солнечной батареи для питания приборов в темное время суток. Поэтому емкость выбирается с запасом из расчета, что в пасмурную погоду заряд будет происходить значительно хуже.
  • Контроллер заряда – осуществляет перераспределение электроэнергии от солнечных батарей к аккумулятору, а при достижении ним максимума, передает избыток во внешнюю сеть. При отсутствии такой системы, снижает электрическую мощность, поступающую на аккумулятор до минимума.
  • Инвертор – предназначен для преобразования постоянного электрического напряжения, поступающего от фотоэлектрического элемента, в переменное, используемое в бытовых сетях. Они же позволяют владельцам солнечных батарей продавать избыток электричества от домашней электростанции. Рис. 2. Принцип реализации солнечной электроэнергии
  • Соединительные провода – осуществляют передачу электроэнергии по всей электрической сети солнечной установки. В зависимости от места расположения, к ним предъявляются различные требования, к примеру, прокладываемые на улице должны быть устойчивыми к воздействию внешних факторов.
Что следует учесть на этапе проектирования?

Несмотря на важность каждого элемента домашнего генератора свободной энергии, особое внимание следует уделить выбору фотоэлектрического модуля, так как от этого будет зависеть и продуктивность, и качество работы всей системы.

История создания и перспективы использования

Идею превращения энергии Солнца в электричество человечество вынашивало давно. Первыми появились гелиотермальные установки, в которых перегретый сконцентрированными солнечными лучами пар вращал турбины генератора. Прямое преобразование стало возможным лишь в середине XIX века, после того, как француз Александр Эдмон Баккарель открыл фотоэлектрический эффект. Попытки создать на основании этого явления действующую солнечную ячейку увенчались успехом лишь полвека спустя, в лаборатории выдающегося русского учёного Александра Столетова. Полностью описать механизм фотоэлектрического эффекта удалось ещё позже — человечество обязано этим Альберту Энштейну. К слову, именно за эту работу он получил Нобелевскую премию.

Баккарель, Столетов и Энштейн — вот те учёные, которые заложили фундамент современной солнечной энергетики

История создания и перспективы использования

О создании первого солнечного фотоэлемента на основе кристаллического кремния возвестили мир сотрудники компании Bell Laboratories в далёком апреле 1954 года. Эта дата, по сути, и является отправной точкой технологии, которая в скором времени сможет стать полноценной заменой углеводородному топливу.

Поскольку ток одной фотоэлектрической ячейки составляет миллиамперы, то для получения электроэнергии достаточной мощности их приходится соединять в модульные конструкции. Защищённые от внешнего воздействия массивы солнечных фотоэлементов и являются солнечной батареей (из-за плоской формы устройство нередко называют солнечной панелью).

Преобразование солнечного излучения в электричество имеет огромные перспективы, ведь на каждый квадратный метр земной поверхности приходится в среднем 4.2 кВт/час энергии в день, а это экономия практически одного барреля нефти в год. Изначально используемая лишь для космической отрасли технология уже в 80-х годах прошлого века стала настолько обыденной, что фотоэлементы стали использовать в бытовых целях — в качестве источника питания калькуляторов, фотоаппаратов, светильников и т. д. Параллельно создавались и «серьёзные» гелиоэлектрические установки. Закреплённые на крышах домов, они позволяли полностью отказаться от проводного электричества. Сегодня можно наблюдать рождение электростанций, представляющих собой многокилометровые поля из кремниевых панелей. Вырабатываемая ими мощность позволяет питать целые города, поэтому можно с уверенностью говорить о том, что будущее — за солнечной энергетикой.

История создания и перспективы использования

Современные солнечные электростанции представляют собой многокилометровые поля фотоэлементов, способные снабжать электричеством десятки тысяч домов

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

Солнечная батарея представляет собой не один прибор, как думают многие люди, а несколько деталей, которые в совокупности позволяют преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

Комплект солнечной батареи

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

Рассмотрим, из чего состоит солнечная батарея для дачи комплект:

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

  • Панели, они же батареи – главный элемент устройства. Их основной функцией является накопление и преобразование солнечного света. Панели изготавливают из фотоэлектрических элементов, которые способны долго удерживать ультрафиолетовые лучи в батарее, пока инвертор не преобразит солнечную энергию;

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

Солнечные панели

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

  • Инвертор – также неотъемлемая деталь комплекта. Его задача – преобразовывать лучи солнца в переменный ток напряжением 220 В;

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

Инвертор

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

  • Аккумулятор – необходим в том случае, если вас настигло внезапное отключение электроэнергии, а солнце зашло за тучи. Современные инновационные технологии позволяют использовать солнечные батареи по назначению даже в том случае, если солнца нет. Аккумулятор накопляет в себе излишки солнечных лучей, и передает их в инвертор в том случае, если панели не могут получать свет солнца;

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

Аккумулятор для солнечных панелей

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

  • Провода и коннекторы – соединяют все вышеперечисленные элементы между собой. Если они перетрутся или испортятся, придется их сразу же заменять, так как их порча приведет к поломке системы энергообеспечения.

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

Кабель для солнечной батареи

Неотъемлемые элементы солнечных батарей

Как правило, все эти компоненты продаются вместе. Их можно приобрести в специализированных магазинах.

Читайте также:  Газовое отопление — народное отопление

«В ногу со временем» — надежное солнечное отопление частного дома

Постоянный рост тарифов и ветхое состояние коммуникаций вынуждают владельцев частных домов активно искать альтернативные способы обогрева.

Одним из мощных и неиссякаемых источников является Солнце, ежедневно поставляющее огромное количество киловатт бесплатной энергии.

Необходимо установить соответствующее оборудование, и зависимость от поставщиков сетевых ресурсов останется в прошлом.

Солнечная энергия имеется всегда, хоть и зависит от погодных условий или времени суток. Для регионов, где климатические и погодные условия позволяют получать достаточное количество киловатт для обогрева, такой вариант становится оптимальным. Солнечное отопление предоставляет массу возможностей и преимуществ, о которых следует поговорить подробнее.

Устройство и принцип работы

Солнечное отопление частного дома — инновационная технология, о которой пока еще не все имеют четкое представление.

Между тем, все возможности для установки и использования соответствующих комплексов имеются практически у любого домовладельца.

Необходимость финансовых вложений существует только для приобретения аппаратуры или оборудования, все остальное он получит бесплатно.

Существует два варианта организации солнечного отопления:

  1. Солнечные батареи;
  2. Солнечные коллекторы.

Использование солнечных батарей — более затратный метод, требующий присутствия большого количества оборудования.

Используются фотоэлектрические элементы, расположенные на открытой площадке под нужным углом для максимально перпендикулярного падения солнечных лучей.

Они вырабатывают электрический ток, который накапливается в аккумуляторных батареях, преобразуется в переменный ток со стандартными параметрами, после чего направляется на отопительные приборы.

Отопление от солнечных батарей в частном доме дает массу дополнительных возможностей. Такой способ имеет значительное преимущество —электрический ток, который вырабатывают солнечные батареи, можно использовать не только на обогрев дома, но и на питание любых приборов, на освещение или иные надобности.

«В ногу со временем» — надежное солнечное отопление частного дома

Солнечные коллекторы действуют по другому принципу. Они не вырабатывают, а получают от Солнца тепловую энергию, которая нагревает теплоноситель в емкостях или трубках.

Обратите внимание

В принципе, коллектором можно считать любую емкость с водой, выставленную на солнце, но имеются специальные конструкции, способные продемонстрировать наибольшую эффективность.

Такой вариант системы значительно проще, дешевле и доступен для самостоятельного изготовления.

Полученное тепло сразу реализуется в повышении температуры теплоносителя, который аккумулируется в накопительной емкости, откуда распределяется по отопительным контурам дома.

Оптимальным способом обогрева является использование низкотемпературных систем, таких как теплый пол. Они не нуждаются в сильном нагреве, что соответствует возможностям солнечных коллекторов.

В ночное время расходуется теплоноситель, нагретый за день.

Преимущества

Основное преимущество состоит в том, что Солнце — постоянный и неиссякаемый источник, стабильный и полностью предсказуемый. В отличие от ветрогенераторов, которые могут простаивать неделями, солнечная энергия подается в заранее известные временные интервалы.

Единственным недостатком является возможность пасмурной или холодной погоды, когда эффективность работы батарей и коллекторов падает.

Однако, современные конструкции позволяют получать минимальное количество даже в самых сложных условиях, поэтому при правильном расчете никакие неожиданности системе обогрева не угрожают.

Кроме того, нельзя забывать, что солнечная энергия достается совершенно бесплатно. Если при отоплении дома газовыми или электрическими котлами надо приобретать само оборудование и потом постоянно оплачивать энергию или топливо, то солнечная энергия не оплачивается, что значительно изменяет уровень рентабельности аппаратуры и всей системы в целом.

Дополнительным преимуществом является высокая ремонтопригодность системы и возможность наращивания ее производительности. В данном вопросе никаких ограничений нет — сколько установлено панелей или коллекторов, столько энергии и будет получено.

Если установленный комплект оказался неспособен к эффективному обогреву дома, его всегда можно усилить добавлением нужного количества оборудования. Это удобно при необходимости перестроить или расширить дом, сделать пристройку и т.д.

Необходимости покупать новую систему полностью это не возникает.

Как используется коллектор

По своей сути солнечный коллектор – это устройство сбора тепловой энергии нашего светила, исходящей от него в виде инфракрасного излучения и видимого света. Поэтому их гелиоустановками и называют.

Читайте также:  Бизнес-идея: производство мебели из паллет

В упрощенном варианте это плоский коллектор из черной металлической пластины – абсорбера, накрытой сверху светопрозрачным слоем стекла. Между ними на абсорбере в качестве теплообменника расположены тонкие трубки, из материала с высокой теплопроводностью. Все устройство герметизируется и из него откачивается воздух. По трубкам циркулирует теплоноситель, которые может нагреваться до 200 С.

Тепло же в отопительную систему отдается уже через бойлер. Количество генерируемого тепла также мало зависит от температуры воздуха, главное интенсивность солнечного света.

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

В хороших солнечных батареях на 12 вольт должно быть 36 элементов, на 24 вольта — 72 фотоэлемента. Это количество оптимально. При меньшем числе фотоэлементов вы никогда не получите заявленный ток. И это — лучший из вариантов.

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

Не стоит покупать сдвоенные солнечные панели — по 72 и 144 элемента соответственно. Во-первых, они очень большие, что неудобно при перевозке. Во-вторых, при аномально низких температурах, которые у нас периодически случаются, они первыми выходят из строя. Дело в том, что ламинирующая пленка при морозах сильно уменьшается в размерах. На больших панелях из-за большого натяжения она отслаивается или даже рвется. Теряется прозрачность, катастрофически падает производительность. Панель идет в ремонт.

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

Солнечная панель на 4 В имеет 7 элемента

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

Второй фактор. На больших по размерам панелях должна быть больше толщина корпуса и стекла. Ведь увеличивается парусность и снеговые нагрузки. Но далеко не всегда это делают, так как значительно возрастает цена. Если вы видите сдвоенную панель, а цена на нее ниже, чем на две «обычных», лучше ищите что-то другое.

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

Еще раз: лучший выбор — солнечная панель для дома на 12 вольт, состоящая из 36 фотоэлементов. Это оптимальный вариант, проверенный практикой.

Технические особенности, характеристики

Электрические батареи

Принцип действия электрических преобразователей света основан на явлении фотоэффекта – отличительном свойстве всех полупроводниковых кристаллов. Идея фотонной электрогенерации не находила в широком производстве применения из-за малой мощности электрического сигнала, вырабатываемого одним элементом. Современные технологии, позволившие массово выращивать кристаллы, обеспечили крупносерийный выпуск солнечных элементов, объединенных в модули, блоки и станции.

Технические особенности, характеристики

Различают монокристаллические батареи. Это элементы, кристаллические решетки которых имеют четкую однообразную структуру. Их считают наиболее эффективным устройством с максимальным КПД (иногда свыше 16 %). Однако высокий уровень удельных характеристик этих батарей соответствует их высокой стоимости.

Поликристаллические элементы обладают менее однородной решеткой, что снижает количественные характеристики вырабатываемой энергии. Коэффициент соотношения потребленной мощности солнечного света к выработанному электричеству составляет 11 %. Однако конечная стоимость одного ватта мощности, полученной с помощью этих элементов, часто оказывается выше, чем у их монокристаллических собратьев.

Пленочные электрогенераторы из аморфного кремния – наиболее низкопроизводительные приборы. Их коэффициент полезного действия по разным оценкам редко превышает 6–8 %. Однако благодаря высокой технологичности монтажа пленка завоевала признание многих пользователей, что обеспечило ей устойчивую нишу потребления.

Термические батареи

Технические особенности, характеристики

Термические гелиоустановки используют иной эффект – прямой нагрев теплоносителя. Устройство таких батарей отличается максимальной способностью поглощать и сохранять тепло.

В зависимости от используемых физических свойств коллекторы бывают:

  • плоские,
  • вакуумные,
  • концентрирующие.

Плоские нагреватели представляют ряд тонкостенных трубопроводов, помещенных в застекленный корпус с термоизолирующим наполнителем. Особенностью всех элементов является высокая светопоглощающая способность и низкий коэффициент отражения.

Технические особенности, характеристики

Вакуумное устройство – термоблок из капилляров, помещенных в безвоздушную среду. Система заполнена легкоиспаряющейся жидкостью, которая выполняет функцию теплоносителя. Обладает высоким КПД, простотой обслуживания, ремонтопригодностью.

Концентратор представляет собой систему зеркал или линз, фокусирующих луч в точке нагрева. Высокий КПД таких устройств (около 100 %), управляемая фокусировка делают их максимально эффективными для получения тепла в промышленных масштабах. На основании подобных систем возводятся термальные электростанции. В быту применяются редко из-за высокой стоимости.

Правильный монтаж

Схема подключения солнечных панелей намного сложнее, чем централизованный ввод городской сети. Домашняя электростанция состоит минимум из четырех элементов.

Правильный монтаж

Мы не рассматриваем примитивные системы освещения садовых дорожек на 12 вольт. Речь пойдет о полноценном энергоснабжении 220 вольт.

Правильный монтаж
  1. Собственно фотоэлементы. Принцип работы и критерии выбора мы уже рассмотрели. Расчет мощности производится от базовой цифры 5 кВт на 1 дом. Это приблизительно 20–40 стандартных панелей площадью по 0.5 м².
  2. Блок управления (контроллер). Без него невозможно функционирование вашей электростанции. Как правильно выбрать контроллер заряда для солнечной батареи? Он должен поддерживать общую мощность системы энергоснабжения, обеспечивать заряд аккумуляторов и правильно распределять поток мощности при одновременном потреблении и того, на контроллере лежит ответственность за безопасность системы, в том числе и может входить в комплект электростанции, либо приобретается отдельно. Функционал у всех моделей стандартный. При выборе вы определяете мощность, вольтаж (12 или 24) и главный критерий — срок службы (гарантия). При выходе из строя контроллера, ваше энергоснабжение определяется емкостью аккумуляторов (пока не разрядятся).
  3. Модуль аккумуляторных батарей. Пожалуй, второй по важности элемент в «электростанции». Он служит накопительным буфером энергосистемы. Фактически, отбор мощности происходит именно от батарей. Солнечные элементы лишь восстанавливают отданный запас энергии (заряжают АКБ). Разумеется, могут быть периоды, когда часть нагрузки ложится на фотоэлементы (если вырабатываемая энергия существенно выше затрат на зарядку). Тогда можно сказать, что ваш телевизор или холодильник питается напрямую от солнца. Перед тем, как установить солнечные батареи, необходимо рассчитать емкость аккумуляторов. Делается это просто: при входной мощности 3 кВт, ток потребления не превышает 15 А (в сети 220 вольт). На выходе 12 вольтовых батарей ток будет уже 250 А (в соответствии с законом Ома). Разумеется, такая мощность отбирается не постоянно, но для примера в расчетах мы возьмем именно эти цифры. То есть, если вы установите 5 батарей емкостью по 100 А×ч каждая, то при такой нагрузке заряд закончится через 2 , это условные цифры: в реальности существует множество поправок в расчетах. Но базовый ток и мощность исчисляются именно по такому различные батареи: кислотные, щелочные, гелевые… По-большому счету, гоняться за самыми «продвинутыми» системами нет смысла. А сэкономить можно лишь на возможности обслуживания: батареи, за которыми требуется надзор, стоят дешевле.
  4. Преобразователь напряжения. Вы можете отбирать мощность напрямую у АКБ, если ваши потребители рассчитаны на 12 вольтовое питание. Однако большинство электроприборов рассчитаны на 220 вольт. Поэтому на выходе устанавливается преобразователь 12–220В.К нему подключается ваша внутренняя электросеть.
Правильный монтаж

Реальная выработка солнечной электростанции для дома

Выработка зависит от мощности и угла наклона панелей, интенсивности солнца и продолжительности светового дня.

Реальная выработка солнечной электростанции для дома

Между собой батареи отличаются площадью, что отражается на их мощности. Это может быть 10Вт, 100Вт, 150Вт, 260Вт и так далее. Однако реальная выработка панели обычно выше её номинальной мощности, так как необходимо учитывать коэффициент интенсивности солнца. В южных регионах солнце светит сильнее и дольше, а в северных слабее и меньше, поэтому одна и та же панель вырабатывает разное количество электроэнергии.

Читайте также:  Батарейки и блок питания для газовой колонки

Пример из практики

Реальная выработка солнечной электростанции для дома

Это график выработки электроэнергии одной панелью мощностью 260Вт за июнь 2018 года. Суммарная выработка станции за месяц — 34,89 кВт. Из расчета, что номинальная месячная мощность батареи — 7,8кВт (260Вт Х 30 дней), её фактическая мощность оказалась в 4.5 раза выше (поправочный коэффициент). Летом он больше, зимой – меньше или вообще отсутствует.

Из графика видно, что выработка непостоянна и присутствуют резкие спады – это пасмурные дни, когда световой день короче, а солнечная активность очень слабая. Худшая производительность была зафиксирована — около , а максимальная — около

Реальная выработка солнечной электростанции для дома

А вот так выглядит выработка солнечной батареи по часам в течение дня:

Выработка начинается ближе к 9 утра, достигает пика к 13:00, затем постепенно снижается и прекращается около 19:00. В течение дня есть небольшие провалы — когда солнце было закрыто с 13:00 до 15:00 выработка электроэнергии была нестабильна из-за облачности. Но и это не сильно сказалось на итоговой производительности станции — В течение дня было множество провалов, что и отразилось на итоговой выработке станции —     А это пасмурный дождливый день, когда солнечная активность очень слабая и выработка в течение дня составила

Реальная выработка солнечной электростанции для дома

Из этого можно сделать вывод, что целиком полагаться на солнечную электроэнергию сложно. Производительность станции сильно зависит от интенсивности солнца и даже летом она может быть непостоянна из-за пасмурной погоды.

Принцип работы системы

Существуют разные типы коллекторов, и хотя принцип работы каждого из них почти одинаков, все же между ними есть некоторые различия. В данном случае будет рассматриваться работа самодельной системы из змеевика.

Таким образом, система для отопления состоит из:

Система отопления работает автоматически, хозяевам дома редко приходится вмешиваться в этот процесс. Для эффективного функционирования системы, в зимнее время коллектор необходимо очищать от налипшего снега, так как он будет отражать солнечные лучи и сделает устройство бесполезным.

Солнечные коллекторы достаточно эффективны и в регионах с умеренным климатом, а не только на юге. Даже если зимой много пасмурных дней, все равно сквозь тучи поступает достаточно ультрафиолета для того, чтобы хотя бы частично обогревать дом. Правда, в таком случае одной лишь солнечной системой отопления не обойтись – придется использовать и дополнительные источники тепла. Но в любом случае, расходы на обогрев дома заметно сократятся.