Які бувають сонячні батареї для опалення будинку – види, особливості, переваги та недоліки

Зміст:

Способи застосування сонячної енергії
Переваги та недоліки сонячного опалення
Сонячні батареї для опалення
Види та конструкція сонячних панелей
Ефективність
Встановлення домашньої сонячної електростанції
Колекторне опалення будинку
Плоске колекторне обладнання
Трубчасте колекторне обладнання
Підвищення ефективності сонячних модулів
Висновок

Постійний розвиток альтернативних джерел енергії та здешевлення технологій зробило їх досить популярними серед власників приватних будинків. Інноваційні способи видобування енергії дозволяють використовувати в якості вихідної сировини нескінченні та екологічно чисті природні ресурси – воду, вітер і сонячні промені.

Для використання енергії Сонця використовуються сонячні батареї, які накопичують і перетворюють отриманий заряд в енергію необхідного типу. Такі пристрої відмінно підходять і для опалення приватного будинку – потрібно лише правильно зібрати та налаштувати систему. Про те, як використовувати сонячні батареї для опалення будинку, і піде мова в даній статті.

Способи застосування сонячної енергії

Технології, що використовують сонячну енергію, здаються новими тільки на тлі більш традиційних систем. Сонячне тепло вже давно активно переробляється в теплову та електричну енергію, особливо в тих країнах, де Сонце світить круглий рік. У північних країнах з цим складніше, але навіть у такому випадку застосування сонячної енергії є доцільним, адже її можна використовувати як резервний енергоресурс.

Для збору сонячної енергії використовується два типи пристроїв:

1. Сонячні батареї. Дані пристрої накопичують зібрану енергію та дозволяють використовувати її для живлення електричних приладів. Сонячні батареї – це панелі, на лицьовій стороні яких встановлені фотоелементи, а з іншого боку розташовується фіксуючий механізм. Сонячна батарея для обігріву будинку не дуже складна конструктивно, тому такі елементи іноді збирають самостійно, але набагато простіше і надійніше купувати готові пристрої.
2. Сонячні колектори. Цей тип пристроїв призначений для включення в систему опалення. Такі конструкції являють собою теплоізольовані короби, в яких проходить теплоносій. Колектори встановлюються на даху або спеціальних щитах з тієї сторони будівлі, на яку потрапляє найбільше сонячних променів. Щоб ефективність поглинання енергії була більш ефективною, системи роблять з можливістю обертання згідно з напрямком сонячних променів.

Різницю між колекторами та сонячними батареями видно з їх конструкції. Колектори (геліосистеми) використовуються безпосередньо для нагріву теплоносія, в той час як батареї збирають енергію для її перетворення в електрику. Звичайно, сонячні батареї для обігріву будинку теж можна використовувати, але така схема доволі незручна та вимоглива до погодних умов – для нормального обігріву сонячних днів має бути не менше 200 на рік.

Переваги та недоліки сонячного опалення

До переваг сонячних опалювальних систем можна сміливо віднести наступні якості:

1. Екологічність. Поглинання і перетворення сонячної енергії відбувається без будь-яких викидів шкідливих речовин, тому можна говорити про повну екологічну чистоту таких систем.
2. Автономність. Сонячне тепло обходиться абсолютно безкоштовно, що дозволяє не думати про поточний рівень цін на енергоносії та необхідність їх підведення до свого приватного будинку.
3. Економічність. Комбінування традиційного та альтернативного опалення дозволяє непогано заощадити в процесі експлуатації. Якщо ж використовувати тільки сонячне опалення, то всі витрати зводяться до придбання необхідних елементів системи та їх обслуговування.
4. Доступність. Сонячні колектори та батареї не потрібно погоджувати з якими-небудь державними органами, оскільки робота таких систем автономна та не представляє якої-небудь небезпеки.

З недоліків головним чином виділяються наступні якості:

1. Тривалий період визначення ефективності. Щоб зрозуміти, наскільки сонячна система ефективна та вигідна в конкретних умовах експлуатації, їй необхідно пропрацювати хоча б 3 роки.
2. Висока вартість обладнання. Сонячні батареї та комплектуючі до них на сьогодні коштують досить дорого, тому без істотних початкових вкладень обійтися не вдасться.
3. Залежність від зовнішніх умов. Якщо клімат в географічній локації, де встановлені колектори, не відрізняється великою кількістю сонячних днів, то встановлення сонячних пристроїв може навіть виявитися недоцільним.
4. Необхідність резервного опалення. Щоб опалювальна система була надійною, її необхідно обов'язково продублювати (дублюючим контуром зазвичай виступає саме сонячний обігрів).
5. Вимогливість до обслуговування. Сонячні колектори потрібно якісно обслуговувати, постійно проводячи профілактичні та очисні роботи. Запуск системи при мінусових температурах можливий тільки в тому випадку, якщо вона й сам будинок мають надійний захист від холоду.

Якщо переваги сонячного обладнання здаються дуже важливими, а недоліки не критичні, то розглянуті пристрої підійдуть для забезпечення будинку електроенергією та теплом якнайкраще.

Сонячні батареї для опалення

УВАГА!
Не робіть ПОМИЛОК у розрахунку!
Використовуйте будівельні калькулятори онлайн - розрахунок будівельних матеріалів та конструкцій для ремонту і будівництва швидко та точно.

Використання сонячних батарей для облаштування опалювальної системи має ряд нюансів. Вся річ у тому, що такі пристрої головним чином призначені для збору енергії, яка надалі перетворюється в електричну. Щоб зробити опалення на сонячних батареях, потрібно буде зібрати систему, підключену до накопичувального бака – саме в цьому елементі конструкції здійснюватиметься розігрівання теплоносія.

Щоб зрозуміти, чи можна вигідно використовувати сонячні батареї для опалення будинку взимку, потрібно розглянути види даних пристроїв, їх експлуатаційні особливості та способи використання.

Види та конструкція сонячних панелей

Існує три основних типи сонячних батарей:

1. Монокристалічні. Робочим елементом таких пристроїв є тонкі пластини, виконані з чистого кремнію, вирощеного штучним чином. ККД таких пластин у найкращому разі досягає 17-18%. Найбільш комфортна температура експлуатації – від 5 до 25 градусів.
2. Полікристалічні. Робочий елемент – пластини, що створені в результаті поступового охолодження розплавленого кремнію. Такий спосіб виготовлення простіший в порівнянні з попереднім, але й ККД відповідний – в кращому випадку він досягає 12%.
3. Аморфні (плівкові). Для виробництва таких батарей кремній випаровується і осідає тонкою плівкою на полімерній основі. Дешевизна виробництва та простота виготовлення подібних пристроїв має пряму залежність з ефективністю – ККД аморфних батарей не перевищує 7%.

У країнах з переважно холодним кліматом найчастіше використовуються сонячні батареї, виготовлені з використанням монокристалічних робочих елементів. Втім, вибір найбільш відповідного типу можна назвати очевидним – плівкові модулі набагато зручніше в установці, не пред'являють особливих вимог до основи та коштують на порядок дешевше.

Зовнішні елементи батарей призначені для збору і перетворення сонячної енергії, яка надалі буде переміщена в накопичувач. Невеликі окремі батареї виробляють близько 100-250 Вт енергії, а збірні модульні конструкції площею у 25-30 м² дозволяють забезпечити електроенергією невеликий житловий будинок. Щоб використовувати сонячні батареї для опалення будинку, їх площа повинна бути в кілька разів вище вказаного значення.

Для перетворення сонячних променів в електрику використовується інвертор. Необхідність його встановлення пов'язана з тим, що електричні прилади використовують тільки змінний струм. Це ж правило стосується та електричного опалювального обладнання. Щоб система забезпечувала будинок енергією цілодобово, її необхідно в обов'язковому порядку доповнити акумуляторами, які дозволяють запасатися електроенергією.

Ефективність

Щоб використовувати сонячну енергію для опалення приватного будинку, набагато простіше буде зібрати схему з колекторів – але така можливість є не завжди, тому доводиться розглядати інші варіанти. Наприклад, цілком може бути так, що на ділянці вже встановлена робоча система з сонячних батарей, яка використовується тільки для забезпечення будинку електрикою і гарячою водою.

Купувати нове обладнання при таких умовах буде дуже невигідно через його високу вартість. Щоб забезпечити обігрів будинку сонячними батареями, оптимальним рішенням буде збільшення потужності системи модулів. Найпростіший варіант – придбати кілька додаткових кремнієвих панелей і під'єднати до системи опалювального котла, працюючого за рахунок електрики.

Грамотний розподіл електричної енергії дозволить забезпечити як систему гарячого водопостачання, так і опалювальний контур. Щоб потужності вистачало на все, потрібно чимало сонячних батарей – автономні будівлі, що використовують тільки сонячну енергію, зазвичай повністю покриті фотоелектричними панелями. Потужність сонячних батарей потрібно врахувати заздалегідь. Часто доводиться добудовувати додаткову конструкцію, на яку будуть встановлюватися панелі.

Визначити ефективність сонячної системи до її використання не виходить, тому всі розрахунки виходять лише приблизними. Складність попередніх розрахунків пов'язана з тим, що є маса факторів, прорахувати вплив яких на ефективність збору енергії неможливо. Звичайно, при наявності деякого досвіду можна провести більш-менш точний розрахунок, але такий досвід є лише у спеціалістів, що спеціалізуються на проєктуванні та інсталяції сонячних систем.

Найбільший вплив на ефективність системи спричинюють наступні чинники:

• Нестабільність погоди – визначити заздалегідь кількість сонячних днів неможливо навіть в сонячних регіонах, не кажучи вже про північні краї;
• Нестабільне споживання енергії, яке також залежить від географічного розташування будівлі, яка одержує тепло та електричну енергію за рахунок сонячного світла;
• Можливість виходу системи з ладу – складність конструкції свідчить про те, що вона буде нерідко ламатися, причому визначити несправність у деяких випадках буває важко.

Дізнатися про те, наскільки ефективні сонячні батареї, можна тільки після того, як вони вже деякий час використовувалися. За результатами аналізу роботи системи можна буде вирішити, чи є необхідність в установці додаткових фотоелементів або акумуляторів. Крім того, варто також оцінити кілька додаткових параметрів – наприклад, якщо втрати тепла занадто великі, оптимізувати роботу системи можна за рахунок поліпшення теплоізоляції всього будинку.

Встановлення домашньої сонячної електростанції

Найпростіше рішення, яке одразу спадає на думку – звернутися в компанію, яка спеціалізується на продажу та встановленні сонячних генераторів. Таке рішення має масу переваг – фахівці зможуть підготувати індивідуальний проєкт, найбільш відповідний для конкретних умов експлуатації, а на придбане та встановлене обладнання буде видана гарантія. Недолік подібного рішення – занадто висока вартість робіт.

Втім, зібрати домашню сонячну електростанцію можна й самостійно, але для цього буде потрібний чималий досвід, а також солідні витрати праці та часу. Крім того, потрібно буде розібратися в тому, які елементи потрібні для облаштування системи, і як вони взаємодіють між собою.

Набір елементів для монтажу сонячного опалення виглядає наступним чином:

• Комплект сонячних модулів;
• Акумуляторна батарея;
• Контролер заряду;
• Інвертор;
• Комутація.

Акумулятори бажано підбирати так, щоб у них були однакові характеристики. Хороші акумулятори можуть утримувати енергію близько 3-4 днів, і цей параметр теж потрібно враховувати, як і той факт, що в холодному приміщенні пристрої розряджаються набагато швидше. Для добового споживання у 2400 Вт-год сумарна місткість батарей повинна становити не менше 1000 А-г.

Інвертори, використовувані для сонячних систем, мають можливість синхронізувати фазу напруги, в результаті чого переведення 12 В у 220 В здійснюється без найменших затримок, тому електричні прилади не відчувають зайвих навантажень. Централізовані електромережі такою якістю похвалитися не можуть, тому сонячні генератори в цьому плані набагато зручніше і надійніше.

Змонтувавши кожен елемент системи, що працює на сонячних батареях, необхідно закінчити роботу. Для цього потрібно під'єднати до системи електричний накопичувач, в якому буде відбуватися нагрівання води від сонця. Накопичувач надалі з'єднується з опалювальним контуром будівлі, тим самим забезпечуючи її обігрів – наприклад, цілком можна живити теплу підлогу від сонячної батареї достатньої потужності.

Колекторне опалення будинку

Звичайно, зібрати опалювальну систему на сонячних батареях можливо, але набагато зручніше і практичніше використовувати елементи, від початку призначені для опалення – сонячні колектори. Такі пристрої забезпечують прямий нагрів води за рахунок сонячної енергії, і ніяких посередників в ланцюжку немає.

Існує два види колекторних конструкцій:

• Плоскі;
• Трубчасті.

Кожну систему необхідно розглянути докладніше, щоб мати можливість усвідомлено вибирати найбільш відповідний для конкретної ситуації варіант.

Плоске колекторне обладнання

Конструктивно плоскі сонячні радіатори для опалення будинку вкрай прості. У деяких випадках такі системи частково збираються досвідченими майстрами з підручних матеріалів. Звичайно, повністю обійтися без готових елементів дуже складно, але навіть невелика економія при наявності належного досвіду може виявитися виправданою.

Влаштування плоского колектора являє собою утеплений металевий короб, в якому розташована вбираюча сонячну енергію пластина (найчастіше захована під шаром чорного хрому). Зверху ця частина конструкції накривається герметичною прозорою кришкою. Вода розігрівається в трубках, які розташовані змійкою і підключені до пластини.

Підключати колекторне опалення можна як за однотрубною, так і за двотрубною схемою – істотних відмінностей у роботі обох схем немає. Набагато більш важливим є спосіб циркуляції теплоносія. Самопливні системи вважаються невигідними через низьку швидкість переміщення води по контуру. Примусова циркуляція, яка забезпечується за рахунок насоса, більш ефективна, тому її використовують у переважній більшості систем.

Трубчасте колекторне обладнання

За принципом роботи трубчасті сонячні теплові панелі схожі з плоскими аналогами, але є одна помітна відмінність – заповнені теплоносієм трубки розташовуються всередині скляних колб. У системі можуть використовуватися пір'яні трубки, закриті з одного боку, і коаксіальні, які вставляються ода в одну і запаюються з обох боків.

Також варто відзначити використовувані види теплообмінників:

• Система перетворення сонячної енергії в теплову Heat-pipe;
• Стандартні трубки для переміщення води U-type.

Другий тип теплообмінників вважається більш ефективним, але у нього є серйозний недолік – висока вартість ремонту, яка обумовлена необхідністю заміни цілого блоку при пошкодженні однієї трубки. З трубками першого типу в цьому плані набагато простіше, оскільки вони незалежні одна від одної, що дозволяє при необхідності заміняти кожен окремий елемент конструкції.

Підводячи підсумок розгляду плоских і трубчастих колекторів, можна зробити наступні висновки – в теплих краях набагато більш вигідними виявляються плоскі колектори, а для північних регіонів краще підбирати трубчасті пристрої. У суворому кліматі найкраще працюють системи Heat-pipe, які непогано проявляють себе навіть при мінімальній освітленості.

Підвищення ефективності сонячних модулів

Ефективність сонячних систем можна збільшити, скориставшись одним з наступних способів:

1. Зміна розташування модулів. Іноді для підвищення ККД досить буде правильно розташувати модулі щодо вектора спрямованості сонячних променів. Зазвичай для цього потрібно розгорнути всі модулі на південь. Якщо день у регіоні довгий, можна також використовувати поверхні, спрямовані на східну і західну сторону – там теж вистачає світла, яке перетворюється в енергію.
2. Зміна кута нахилу. У документації до модулів завжди вказується рекомендований кут нахилу, при якому ККД системи буде максимальним. На практиці це значення може суттєво змінюватись залежно від географічного розташування та інших індивідуальних особливостей.
3. Вибір місця для встановлення. Найчастіше сонячні модулі встановлюються на даху будівлі – це найпростіший, доступний і очевидний варіант, але не найефективніший. Найкраще заздалегідь підготувати поворотну основу і встановити панелі на неї, щоб пристрої слідували за сонячними променями в міру їх зміщення.

На останній пункт варто звернути особливу увагу. Звичайно, встановлені на даху модулі не марні – зрештою, ніяких перешкод для сонячних променів в такому випадку немає, тому вони легко досягають пристрою і перетворюються в необхідний тип енергії. Проблема в тому, що розташування модулів перпендикулярно сонячним променям має максимальну ефективність протягом короткого проміжку часу.

Поворотні пристрої, які відслідковують поточну спрямованість променів, дозволяють позбутися від подібних проблем. Правда, в таких пристроїв є і негативні сторони – зокрема, мова йде про вкрай високу вартість поворотних систем. Крім того, в ряді випадків придбання такого обладнання ніяк не впливає на ефективність системи – наприклад, якщо не були належним чином враховані кліматичні умови. Витрати в такому випадку будуть абсолютно недоцільними.

Згідно з приблизними розрахунками, для того, щоб поворотні елементи окупилися, їх кількість має становити не менше восьми. Звичайно, можна використовувати та меншу кількість модулів (близько 3-4), але вони будуть вигідним придбанням тільки в тому випадку, якщо підключати безпосередньо до водяного насосу, в інших же випадках приріст ефективності буде незначним.

На сьогодні активно ведеться розробка абсолютно нового виду даху, в якому сонячні батареї встановлені від початку. Згідно із запевненнями виробників, такий дах буде коштувати істотно дешевше звичайних дахів, на яких встановлюється сонячне обладнання, і як мінімум буде настільки ж ефективним.

Висновок

Опалення на сонячних батареях – це досить ефективна сучасна система, яку при наявності відповідного досвіду можна влаштувати самотужки. Технології постійно розвиваються, тому завжди є можливість вибрати оптимальне обладнання, яке ідеально підійде для конкретних умов експлуатації та повністю покриє всі потреби в опаленні.