Отопление частного дома солнечными батареями: схемы и устройство

Виды солнечных батарей

Устройства подразделяются на классы по степени мощности:

• маломощная;
• универсальная;
• панель солнечных элементов.

Кроме того, имеется три типа батарей с разным назначением:

1. Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Осуществляют превращение солнечной энергии в электрическую.
2. Гелиоэлектрические станции (ГЕЭС). Используются для обеспечения функционирования различных промышленных установок — турбин, паровых машин и т.д.
3. Солнечные коллекторы (СК). Служат для теплоснабжения помещений.

Выбор и расчет солнечных батарей для частного дома требует от владельца знания конструктивных особенностей оборудования. Существует разделение по физико-химическому состоянию материала батарей. Этот вопрос следует рассмотреть подробнее.

Кремниевые батареи

Элементы из кремния — наиболее распространенные виды фотоэлектрических преобразователей.

Причиной этого является распространенность и доступность этого материала. При этом технология производства весьма сложная, изготовление элементов обходится в значительные суммы, что вынуждает производителей искать варианты снижения себестоимости.

Пока это получается только за счет снижения эффективности, но разработчики непрерывно ищут пути повышения качества и производительности своей продукции. Рассмотрим виды кремниевых батарей.

Монокристаллические

Самые эффективные и дорогие элементы. Используется кремний высокой очистки, технология получения которого отработана при изготовлении полупроводников. Элементы представляют собой тонкие срезы (300 мкм) с одного монокристалла, выращенного специально под такую задачу. Кристаллическая структура имеет правильную форму, зерна направлены в одну сторону. Себестоимость материала высока, КПД составляет 18-22%. Срок службы очень велик, минимум 30 лет.

Поликристаллические

Эти элементы получают путем постепенного охлаждения расплавленного кремния, при котором образуются поликристаллы. Структура такого материала не имеет правильной формы, зерна не параллельны и направлены в разные стороны. Производство обходится намного дешевле, поскольку для такой технологии требуется меньше электроэнергии, но КПД продукта получается более низким – 12-18%.

Аморфные

Аморфные батареи производятся не из кристаллического кремния, а из кремневодорода (силана), который наносится тонким слоем на материал основы. КПД этих батарей невысок – всего 5–6 %, но и цена самая низкая. При этом, есть и свои плюсы – высокий коэффициент оптического поглощения, способность работать при пасмурной погоде, устойчивость к деформации панели.

Гибридные

Гибридные панели представляют собой сочетание фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов. Дело в том, что при выработке энергии панели нагреваются и теряют производительность.

Для снижения нагрева применили водяное охлаждение. Оказалось, что количество тепла, полученное водой от фотоэлементов, может использоваться для бытовых нужд или для отопления помещений.

Такие солнечные батареи хороши как для генерации энергии, так и для отопления дома. Производители утверждают, что КПД таких панелей чрезвычайно высок (некоторые заявляют 80%), но это обычный маркетинговый ход, учитывающий стабильность показателей как возрастание эффективности.

Это еще один вид фотоэлектрических преобразователей, которые изготовлены не на кремниевой основе, а из нескольких полимерных пленок, сложенных в плотную пачку и выполняющих разные функции. КПД таких батарей ниже, чем у кремниевых, примерно в четыре раза, однако они легки, относительно дешевы в производстве и, как следствие, дешевле в продаже. Считается, что полимерные устройства имеют высокий потенциал и будут активно развиваться, поскольку дешевизна и скорость производства являются важнейшими преимуществами материала.

Будущее за альтернативными источниками энергии

Потребность в энергии растет пропорционально скорости развития технологий. Если сегодня альтернативные источники энергии являются экзотикой и применяются только там, где больше никакие способы не годятся, то через некоторое время ситуация изменится коренным образом. Зависимость от ресурсоснабжающих компаний – не самая радужная перспектива, вынуждающая искать другие, более независимые варианты обеспечения жилья энергией и теплом.

Как только появится более дешевое и производительное оборудование, использование солнечных батарей станет распространяться повсеместно. Толчком к этому послужит перенаселенность центральных районов, нехватка жилья и работы, необходимость расселения в более отдаленные регионы. Если к тому времени параметры оборудования станут вполне стабильными, а цены упадут до доступных размеров, то спрос на солнечные батареи станет весьма высоким.

Принцип работы

Принцип работы солнечной батареи. (Для увеличения нажмите)

Принцип работы солнечной батареи достаточно простой. Это преобразование энергии солнца в электрическую энергию. Фоторецепторы, находящиеся на пластине, поглощают солнечный свет, который вызывает микроразряд на поверхности пластины.

Сила одного такого микроразряда достаточно мала, но множество фоторецепторов, находящихся на площади батареи способны вырабатывать и аккумулировать необходимое количество электроэнергии для нужд человека.

Солнечные батареи можно установить на крышах:

• частных домов;
• многоэтажных зданий;
• небольших производственных помещений;
• павильонов;
• навесов.

Условие размещения конструкции – это плоская крыша или другая плоскость большой площади.

Совет специалистов: модули солнечных коллекторов размещаются по направлению к солнцу

Поэтому важно при монтаже установить модуль с южной или юго-восточной стороны.

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.

Для того чтобы получать около 500кВт тепла в месяц, нужно чтобы в месяце было около 20 солнечных дней.

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.

Способы использования солнечной энергии

Методы применения энергии небесного светила не относятся к инновационным технологиям, солнечное тепло используют давно и весьма успешно. Однако это касается, в основном, Австралии, некоторых стран Европы, Америки и южных регионов, где альтернативную энергию можно получать в течение всего года.

Некоторые северные области испытывают дефицит естественного излучения, поэтому его применяют в качестве дополнительного или запасного варианта.

Галерея изображений
Фото из
Солнечные батареи — один из способов получение практически бесплатной энергии, безвозмездно излучаемой небесным светилом

Устройство автономной солнечной электростанции целесообразно в регионах с большим количеством солнечных дней, что не связано со среднегодовой температурой

Автономную гелиосистему располагают преимущественно на крышах малоэтажных домов и на свободных от деревьев участках

В период морозов гелиосистемы поставляют энергию для нагрева воздушного, парового или водяного отопления, летом обеспечивают нагретой водой

Солнечные электростанции относятся к «зеленым», экологически безопасным, способным непрерывно возобновляться видам генерации энергии

Пока эффективность солнечных электростанций слишком зависима от количества солнечных дней. Она рентабельна только в южных широтах. В средней полосе и на севере может служить лишь резервным источником

Солнечные панели на юге стран СНГ смогут обеспечить загородный дом электроэнергией, горячей водой и теплоносителем для контуров отопления

Гелиосистемы, даже используемые в качестве резервного энергетического источника, приносят достаточно высокий экономический эффект, снижая нагрузку на основные варианты получения энергии

Пассивное использование солнечной энергии

Вариант установки солнечных панелей

Оптимальное расположение частной гелиосистемы

Расположение солнечной панели вдоль карнизного свеса

Гелиосистема на пологом скате крыши

Солнечная электростанция в качестве резервного источника

Эксплуатация батарей в южных областях стран СНГ

Реальная польза гелиосистемы в частном секторе

Посредниками между солнечными лучами и образующим энергию механизмом являются солнечные батареи или коллекторы, которые отличаются и назначением, и конструкцией.

Батареи аккумулируют энергию солнца и позволяют использовать ее для питания бытовых электрических приборов. Они представляют собой панели с фотоэлементами с одной стороны и фиксирующим механизмом с другой. Можно поэкспериментировать и собрать батарею самостоятельно, но проще купить готовые элементы – выбор достаточно широк.

Гелиосистемы (солнечные коллекторы) являются частью отопительной системы дома. Большие теплоизолированные короба с теплоносителем, как и батареи, крепят на приподнятых щитах, обращенных к солнцу, или скатах крыши.

Считать, что абсолютно все северные регионы получают намного меньше естественного тепла, чем южные, ошибочно. Предположим, на Чукотке или в центральной Канаде солнечных дней намного больше, чем в расположенной южнее Великобритании

Для повышения эффективности панели помещают на динамические механизмы, напоминающие систему слежения – они поворачиваются вслед за движением солнца. Процесс преобразования энергии происходит в трубках, расположенных внутри коробов.

Главное отличие гелиосистем от солнечных батарей в том, что первые нагревают теплоноситель, а вторые аккумулируют электроэнергию. Есть возможность обогревать помещение и с помощью фотоэлементов, но схемы устройства нерациональны и пригодны только для тех для районов, где солнечных дней в году не менее 200.

Схема устройства отопительной системы с солнечным коллектором, подключенным к бойлеру, и запасным источником электроэнергии (например, газовым котлом), работающем на традиционном топливе (+)

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 батарей

Наиболее важным преимуществом фотоэлектрических преобразователей является независимость от ресурсных организаций. Электроэнергия вырабатывается полностью автономно, без подключения к сети. Необходимо лишь наличие источника — солнечного света, в ночное время система работать не может. Имеются и другие преимущества:

• Экологичность. Система никак не воздействует на окружающую среду, не выделяет никаких вредных веществ.
• Длительный срок службы. Оборудование может работать практически неограниченное время при условии периодического обслуживания специалистами.
• Полная бесшумность работы.
• Возможность увеличить мощность системы добавлением новых модулей.
• Окупаемость оборудования. Цена комплекта постепенно возвращается к владельцу в виде экономии расходов на электроэнергию. Через несколько лет оборудование уже начинает приносить прибыль.
• Постоянное снижение стоимости комплектов. Объемы производства такого оборудования велики, и это вызывает снижение цен. Система солнечных батарей для дома, купленная через несколько лет, будет дешевле той, что приобретена сегодня, и это вселяет уверенность в развитии технологии и доступности оборудования.

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

Виды солнечных батарей

Фотоэлектрические преобразователи существуют разные. Причем отличается и материал, из которого они изготавливаются, и технологии. От всех этих факторов напрямую зависит производительность этих преобразователей. Некоторые фотоэлементы имеют КПД 5-7 %, а самые удачные последние разработки показывают 44 % и выше. Понятно, что от разработок до бытового использования расстояние огромное, и по времени, и по деньгам. Зато можно представить, что ждет нас в ближайшем будущем. Для получения лучших характеристик используют другие редкоземельные металлы, но с улучшением характеристик имеем приличное повышение цены. Средняя же производительность относительно недорогих солнечных преобразователей составляет 20-25 %.

Самое широкое распространение получили солнечные модули из кремния

Самые распространенные кремниевые солнечные батареи. Этот полупроводник недорог, его производство освоено давно. Но они имеют не самый высокий КПД — те самые 20-25%. Потому при всем разнообразии сегодня преимущественно используются три вида солнечных преобразователей:

• Самые дешевые — тонкопленочные батареи. Они представляют собой тонкий налет кремния на несущем материале. Кремниевый слой покрыт защитной пленкой. Плюс этих элементов в том, что работают они даже в рассеянном свете, а, следовательно, есть возможность устанавливать их даже на стены зданий. Минусы — низкая эффективность 7-10%, а также, несмотря на защитный слой, постепенная деградация кремниевого слоя. Тем не менее заняв большую площадь, можно получить электричество даже в пасмурную погоду.
• Поликристаллические солнечные батареи изготавливают из расплава кремния, медленно его охлаждая. Отличить эти элементы можно по ярко-синему цвету. Эти солнечные батареи имеют лучшую продуктивность: КПД 17-20%, но в рассеянном свете малоэффективны.
• Самые дорогие из всей троицы, но при этом довольно широко распространенные — монокристаллические солнечные батареи. Они получаются путем разделения одного кристалла кремния на пластины и имеют характерную геометрию со скощенными углами. У этих элементов КПД от 20% до 25%.

Теперь, видя надписи «солнечная панель моно» или «поликристаллическая солнечная батарея», вы будете понимать, что речь идет о способе производства кремниевых кристаллов. Также вы будете знать, какой эффективности от них можно ожидать.

Батарея с монокристаллическими преобразователями

Как вам статья?