Солнечное отопление частного дома: варианты и схемы устройства

Принцип работы солнечных батарей

По своей сути данные батареи — это фотогенераторы электрической энергии. Согласно законам физики, солнечный свет образует постоянный электрический ток, воздействуя на полупроводниковые элементы. В цепях батареи возникает определенное напряжение, которое подается непосредственно на сами объекты. В специальном аккумуляторе накапливается энергия, которая потом используется в пасмурную погоду.

Схема водонагревательной гелиосистемы.

Целесообразнее батареи устанавливать на южную сторону крыши дома, угол крыши должен составлять не менее 30⁰С. При этом рекомендуется учесть дополнительные помехи, например, рядом стоящие строения или деревья, которые могут помешать работе всей системы в будущем. В установленном оборудовании поток солнечных лучей должен исходить из учета 1000 кВт/ч на 1 м² за год. Полученная солнечная энергия в данном случае будет равна, использованию 100 л газа. Некоторые мощные батареи площадью около 4 м², применяемые для обогрева частного дома, могут обеспечить среднюю семью из трех человек горячей водой. Они способны выработать энергию примерно до 2000 кВт/ч в год.

В состав солнечных батарей входит:

  • прозрачная, стеклянная или пластмассовая верхняя панель, внутри которой циркулируют вода или воздух;
  • зачерненная металлическая поверхность, которая поглощает тепловую энергию солнца;
  • водяной бак или накопительный резервуар, куда попадает нагретая жидкость или газ, затем они перемещаются непосредственно в батареи.

В установку отопления солнечными батареями входит:

  • преобразователь обыкновенный;
  • преобразователь постоянного тока в переменный;
  • датчик, регулирующий зарядку и разрядку батареи;
  • аккумулятор;
  • механизм отбора мощности.

Применение

Схема принципа работы и устройства солнечной батареи.

Система отопления, основанная на солнечных батареях, используется в основном для получения электричества. Соответственно, такие батареи практичнее устанавливать в доме с электрическим отоплением, электрическими обогревателями и системой теплых полов. Оборудовав мощными солнечными батареями отопление частного дома, можно в дальнейшем пользоваться горячей водой. В этом случае необходимо учесть количество проживающих человек, площадь обогреваемого жилья и расход потребляемой энергии.

Например, в семье из трех человек в среднем расходуется до 500 кВт в месяц только на бытовые приборы. При этом не учитывается количество энергии на подогрев воды. Лучше всего площадь системы солнечного отопления рассчитывать из учета 1 м² площади батареи на человека. Для установки системы теплого пола на каждые 10 м потребуется 1 м² солнечной батареи.

Эффективность

Эффективность работы солнечных батарей зависит от множества факторов, и главным здесь является поступающая энергия солнца. В случае отопления дома, расположенного в северных широтах, рекомендуется использование совмещенных видов отопления, где обогрев солнечными батареями будет использоваться как дополнительный вариант к газовому или твердотопливному отоплению.

http:

Совмещенный способ обогрева частного дома можно использовать и в более теплых широтах, потому что мощность солнечных батарей при недостаточном естественном освещении и в пасмурную погоду крайне мала. Поэтому обогрев таким способом является больше средством экономии, чем основным источником тепла в доме. Вследствие этого не рекомендуется полностью отказываться от других способов обогрева дома. Самым эффективным отоплением на сегодня является комбинированный способ обогрева жилья.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:Солнечное отопление частного дома: варианты и схемы устройства

  1. Можно жить в тепле сколько захочется.
  2. Есть возможность регулирования температуры в доме на любом уровне.
  3. Складывается независимость от представителей коммунальных служб. точнее не придётся платить за электроэнергию.
  4. В запасе будет столько энергии. что даже можно будет расходовать её на другие нужды.
  5. Батареи имеют большой срок годности. это избавляет от хлопот по их замене и ремонту.
  6. Этот вид отопления домов никак не вредит окружающей среде. не создаёт причин для замыканий от попадания влаги.
  7. Можно установить дополнительные элементы для создания возможности работать даже ночью.
  8. Быстрая установка специалистами на крыше дома солнечных батарей.
  9. Возможность сдавать испортившиеся батареи на переработку. можно получить за это небольшую сумму денег.
  10. Минимальные затраты для покупки.
  11. Солнечные батареи бесшумны. в отличие от других источников их энергия бесплотна.
  12. Топливо для постоянной работы не нужно.

Отопление, которое производят солнечные батареи уникально. Оно лучше, чем тепло производящее газовая печка или же паровая. Никакой вид отоплений не сравнится с солнечными пластинами.

Плюсом является и обслуживание батарей и их элементов. Их срок годности большой, не придётся по любому поводу звать на помощь мастера. Самый достойный плюс – неисчерпаемость источника (Солнца). Пока оно светит в небе — энергии будет в достатке всегда.

Недостатков несколько, основные из них это:

  1. При установке батарей на крыше дома. их следует размещать на южной стороне крыши, что бывает не очень удобно.
  2. Круг регионов. где можно использовать данную технологию сужается в связи с погодой, нужно ясное небо и яркое солнце.
  3. Система стропил дома должна быть идеально прочной. батареи не очень-то и легки, поэтому нужно учитывать обеспечение безопасности.
  4. Зимой они малоэффективны. поэтому приходится использовать энергию в запасе или же подключить модули солнечных батарей гибридам системы.
  5. При переизбытке энергии они могут отключиться на «профилактику». Нельзя допускать этого, тратить нужно в меру.

Трубчатые солнечные коллекторы

Трубчатые солнечные коллекторы собираются из отдельных трубок, по которым курсирует вода, газ или пар. Это одна из разновидностей гелиосистем открытого типа. Однако теплоноситель уже намного лучше защищен от внешнего негатива. Особенно в вакуумных установках, устроенных по принципу термосов.

Каждая трубка подключается к системе отдельно, параллельно друг другу. При выходе из строя одной трубки ее легко поменять на новую. Вся конструкция может собираться непосредственно на кровле здания, что значительно облегчает монтаж.

Трубчатый коллектор имеет модульную структуру. Основным элементом является вакуумная трубка, количество трубок варьируется от 18 до 30, что позволяет точно подобрать мощность системы

Веский плюс трубчатых солнечных коллекторов заключается в цилиндрической форме основных элементов, благодаря которым солнечное излучение улавливается круглый световой день без применения дорогостоящих систем слежения за передвижением светила.

Специальное многослойное покрытие создает своего рода оптическую ловушку для солнечных лучей. На схеме частично показана внешняя стенка вакуумной колбы отражающая лучи на стенки внутренней колбы

По конструкции трубок различают перьевые и коаксиальные солнечные коллекторы.

Коаксиальная трубка представляет собой сосуд Дьаюра или всем знакомый термос. Изготовлены из двух колб между которыми откачан воздух. На внутреннюю поверхность внутренней колбы нанесено высокоселективное покрытие эффективно поглощающее солнечную энергию.

При цилиндрической форме трубки солнечные лучи всегда падают перпендикулярно поверхности

Тепловая энергия от внутреннего селективного слоя передается тепловой трубке или внутреннему теплообменнику из алюминиевых пластин. На этом этапе происходят нежелательные теплопотери.

Перьевая трубка представляет собой стеклянный цилиндр со вставленным внутрь перьевым абсорбером.

Свое название система получила от перьевого абсорбера, который плотно обхватывает тепловой канал из теплопроводящего металла

Для хорошей теплоизоляции из трубки откачан воздух. Передача тепла от абсорбера происходит без потерь, поэтому КПД перьевых трубок выше.

Термотрубка представляет собой запаянную емкость с легкоиспаряющейся жидкостью.

Поскольку легкоиспаряющаяся жидкость естественным образом стекает на дно термотрубки, минимальный угол наклона составляет 20°

Внутри термотрубки находится легкоиспаряющаяся жидкость, которая воспринимает тепло от внутренней стенки колбы или от перьевого абсорбера. Под действием температуры жидкость закипает и в виде пара поднимается вверх. После того как тепло отдано теплоносителю отопления или горячего водоснабжения, пар конденсируется в жидкость и стекает вниз.

В качестве легкоиспаряющейся жидкости часто применяется вода при низком давлении.

В прямоточной системе используется U-образная трубка, по которой циркулирует вода или теплоноситель системы отопления.

Одна половина U-образной трубки предназначена для холодного теплоносителя, вторая отводит нагретый. При нагреве теплоноситель расширяется и поступает в накопительный бак, обеспечивая естественную циркуляцию. Как и в случае систем с термотрубкой, минимальный угол наклона должен составлять не менее 20⁰.

При прямоточном подключении давление в системе не может быть высоким, так как внутри колбы технический вакуум

Прямоточные системы более эффективны так как сразу нагревают теплоноситель.

Если системы солнечных коллекторов запланированы к использованию круглый год, то в них закачивается специальные антифризы.

Плюсы и недостатки трубчатых коллекторов

Применение трубчатых солнечных коллекторов имеет ряд достоинств и недостатков. Конструкция трубчатого солнечного коллектора состоит из одинаковых элементов, которые относительно легко заменить.

Достоинства:

  • низкие теплопотери;
  • способность работать при температуре до -30⁰С;
  • эффективная производительность в течение всего светового дня;
  • хорошая работоспособность в областях с умеренным и холодным климатом;
  • низкая парусность, обоснованная способностью трубчатых систем пропускать сквозь себя воздушные массы;
  • возможность производства высокой температуры теплоносителя.

Конструктивно трубчатая конструкция имеет ограниченную апертурную поверхность. Обладает следующими недостатками:

  • не способна к самоочистке от снега, льда, инея;
  • высокая стоимость.

Несмотря на первоначально высокую стоимость, трубчатые коллекторы быстрее окупаются. Имеют большой срок эксплуатации.

Трубчатые коллекторы относятся к гелиоустановкам открытого типа, потому не подходят для круглогодичного использования в системах отопления

Особенности установки солнечного отопления

Солнечное отопление является наиболее эффективным в районах, характеризующихся большим количеством солнечных дней (особенно в зимний период времени).

Солнечное (гелиоотопление) отопление дома, выполненное своими руками, должно производиться с учетом специфических особенностей установки:

Солнечное отопление частного дома: варианты и схемы устройства

Схема работы солнечных батарей. Нажмите для увеличения.

Один из наиболее оптимальных вариантов — комбинированное отопление дома газовым (либо электрическим) методом и солнечной энергией.

Данный вариант, характеризующийся интеграцией элементов гелиосистемы в существующую схему теплоснабжения, позволяет значительно повысить эффективность нагрева и увеличить экономические показатели.

При производстве работ в районах, характеризующихся низким значением уровня инсоляции (потока прямых солнечных лучей на горизонтальную поверхность), необходимо особое внимание уделять оптимальному выбору площади коллекторов и правильности их монтажа. При определении уровня инсоляции следует помнить, что ее интенсивность выше в середине дня. В данной связи плоскости коллектора следует ориентировать в южном направлении

Возможны некоторые отклонения в юго-западном либо в юго-восточном направлениях

В данной связи плоскости коллектора следует ориентировать в южном направлении. Возможны некоторые отклонения в юго-западном либо в юго-восточном направлениях

При определении уровня инсоляции следует помнить, что ее интенсивность выше в середине дня. В данной связи плоскости коллектора следует ориентировать в южном направлении. Возможны некоторые отклонения в юго-западном либо в юго-восточном направлениях.

При установке коллекторов необходимо следить за тем, чтобы на них не падала тень от соседних строений либо деревьев. Монтаж коллекторов под углом, равным географической широте данной местности, способен существенно повысить их эффективность.

Это связано с тем, что максимальный уровень поглощения энергии Солнца приходится на расположенные под прямым углом к направлению инсоляции поверхности коллекторов.

Именно поэтому необходимо произвести увеличение угла наклона, что позволит повысить эффективность работы коллектора в зимнее время, несколько увеличив потери тепла летом. Однако летом увеличение тепловых потерь вполне допустимо ввиду переизбытка тепловой энергии.

Популярные статьи  Тёплый плинтус: что собой представляют плинтусные радиаторы отопления и как их правильно монтировать

Что они представляют собой

Устройства, подзаряжающиеся от света, изобретены достаточно давно. Солнечные батарейки для зарядки калькуляторов, часов и прочего, мы имели удовольствие наблюдать еще в начале 90-х годов. Однако наши зарубежные друзья научились использовать энергию солнца во благо гораздо раньше.

Поэтому, стоит поучиться на уже пройденном опыте, и усовершенствовать достигнутые результаты. Одним из удачных достижений можно назвать энергию, где используются лучи  солнечные для отопления батареи для дома, в котором мы живем. Всем известно, что отопление стоит недешево, и платить по счетам приходится часто и помногу.

Многие страны, особенно те, где солнце — частый гость на небе, давно перешли на альтернативную систему отопления. То есть – на обогрев жилья с помощью солнечных батарей.

Если вы не хотите зависеть от жилищно-коммунальных контор, если вам важно тепло в доме в любое, удобное для вас время, давайте поговорим подробнее про отопление от солнечных батарей, которое доступно уже многим, и многие это оценили по достоинству

Преимущества

  1. Вы живете в тепле столько времени в год, сколько хотите.
  2. Вы имеете возможность регулировать температуру в квартире на нужном вам уровне.
  3. Вы полностью независимы от коммунальных служб, теперь не придется платить за общее отопление.
  4. Вы имеете собственный запас энергии, который можно израсходовать на любые бытовые нужды.
  5. Большой срок службы батарей надолго избавит вас от хлопот по их замене или ремонту.

Однако есть небольшие детали, которые не мешает рассмотреть подробнее, прежде чем приобретать и устанавливать автономное энергообеспечение в своем жилье.

Нюансы

Солнечное отопление частного дома: варианты и схемы устройства

Разновидности солнечных батарей

  1. Конечно, есть известная всем истина, что чем ближе к экватору – тем больше солнца. Если вы живете в регионе, где количество солнечных дней невелико, батареи будут не слишком эффективны.
  2. Достаточно высокая стоимость батарей. К примеру, чтобы снабдить семью достаточным количеством электроэнергии, вам понадобятся солнечные батареи площадью около 15 – 20 м². Учитывая, что 1 м² дает энергии в среднем 120 Вт, то на семью из трех-четырех человек придется установить достаточно много элементов.
  3. Батареи нужно устанавливать на южную сторону крыши. В тех местах, где солнце светит больше всего.
    Площадь крыши должна составлять не менее 40 м2, только в этом случае вы сможете получать достаточное для семьи количество энергии.
  4. Для получения энергии около 500 кВт в месяц и полноценной работы системы в вашем регионе должно быть до 20 солнечных дней.
  5. Чтобы снабдить себя электричеством и приобрести установку мощностью около 7 квТ, сделать отопление на солнечных батареях, вам придется потратить не менее 200000 рублей на их приобретение и установку.
    Однако это окупится уже в первые годы использования. Мощности такой установки хватает для снабжения отопления дома средней величины.
  6. Для эффективной работы установки угол наклона вашей крыши должен быть около 45⁰. Не должно быть больших деревьев и высоких зданий рядом, они будут создавать тень, и мешать работе установки.
  7. Система стропил вашего дома должна иметь запас прочности. Батареи имеют определенный вес, который нужно учитывать, чтобы обезопасить кровлю от обрушения.
    Особенно вероятно это в зимнее время, когда на крыше скапливается снег.

Конечно, батареи обходятся недешево, однако они пользуются большой популярностью уже во многих странах. Даже там, где не самый жаркий климат, их охотно используют. Дело в долговечности, и большой эффективности такого рода установок.Они лучше всего работают в летнее время, когда солнечных дней много. Но отопление нужно зимой, поэтому, чтобы система работала, на крыше нужно собрать достаточно большую конструкцию.

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 . 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.

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

Преимущества солнечных систем и особенности их проектирования и монтажа

Для того, чтобы система на возобновляемых источниках энергии стала действительно эффективной для вашего частного дома – необходимо провести тщательный расчет. Прежде всего определяется необходимый уровень энергопотребления в доме, рассчитывается суммарная мощность всех бытовых приборов и их максимальная нагрузка. Затем рассчитывается максимально возможная эффективность предполагаемых к использованию солнечных батарей и их площадь. Возможно, потребное количество батарей для добычи солнечной энергии просто не поместятся на крыше вашего дома и вам придется подыскивать дополнительные источники энергии или другие площади для размещения.

чертеж коллектора

В любом случае – система с энергоснабжением от солнечной энергии должна иметь резервный источник питания, что позволит вам не зависеть от капризов погоды.

Аналогичный подход необходимо применить и при проектировании солнечных систем отопления. Производители как правило указывают возможность солнечных отопительных коллекторов по работе в определенных температурных условиях. Не стоит пренебрегать этими сведениями. И опять же – на случай длинной зимней и пасмурной непогоды ваш дом должен быть оборудован альтернативным источником теплоснабжения – это может быть любой отопительный котел на ваш выбор, начиная от традиционной русской каменной печи на дровах, оканчивая новомодными электрическими бойлерами.

При разумном сочетании новшеств в области теплоснабжения и традиционного, проверенного временем подхода вы сможете в полной мере насладиться всеми преимуществами солнечной энергии, достающейся нам абсолютно даром.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: