Как сделать отопление от солнечных батарей (коллекторов) в частном доме: преимущества и недостатки

Отопление от солнечных батарей в частном доме - это система, которая использует солнечную энергию для нагрева воды или воздуха, используемого для обогрева технических помещений и жилых комнат внутри дома. Солнечные батареи преобразуют солнечный свет в электричество, которое затем используется для работы насоса, который прокачивает воду или воздух через солнечные коллекторы. В солнечных коллекторах вода или воздух нагревается солнечным светом и затем используется для отопления дома.

Отопление жилого загородного дома солнцем мало распространено в России из-за географического положения страны. В отличие от южной Европы, Азии и Австралии климат в РФ холодный, солнечного света и тепла иногда недостаточно для обогрева двухэтажного коттеджа.

Но при правильном проектировании отопление от установленных на крыше солнечных панелей достаточно эффективно. В областях с теплым климатом его можно использовать как основное, а в других регионах – как дополнительное. Солнечные электростанции и коллекторы в доме уменьшают размер счетов на оплату коммуналки.

Способы использования солнечной энергии

Использовать энергию инфракрасного и ультрафиолетового излучения солнца можно двумя способами:

1. Отопление от солнечных батарей в частном доме. Необходимо установить панели, которые преобразуют свет в электричество. Далее оно направляется для работы отопительного котла.
2. Обогрев с помощью коллекторов тепловой энергии. В этом случае используются трубчатые конструкции, в которых нагревается непосредственно теплоноситель.

Первый вариант позволяет также получить источник электрической энергии для работы бытовых приборов. Но постройка системы достаточной мощности обойдется дорого. Второй более экономичен, но объект не будет полностью автономным.

Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление

Перед строительством отопления частного дома солнечными панелями необходимо рассчитать потребности в тепловой энергии и электричестве в кВт.

Особенно важна пиковая нагрузка, когда одновременно работает котел и электрическое оборудование. Причем нужно принимать во внимание величину пусковых токов насосов. Для расчетов можно воспользоваться таблицами или пригласить энергетика из компании, которая будет устанавливать автономное отопление.

Правильный результат вычислений облегчит выбор солнечных панелей, емкость аккумуляторов и инвертора, котла и другой техники.

Общий принцип работы солнечной батареи

Конструктивно солнечная батарея состоит из большого количества фотоэлектрических элементов, которые преобразуют свет в постоянный ток. Далее он трансформируется в переменный и используется для питания электрических приборов.

Вырабатываемая энергия накапливается в батареях, чтобы обеспечить работу отопительных и других устройств в темное время суток и пасмурные дни. Работой всех компонентов управляет контроллер.

Схема получения энергии

отопление на солнечных батареях для частного дома работает по такой схеме:

1. Панели поглощают солнечный свет и преобразуют его в постоянный ток.
2. Электричество накапливается в аккумуляторных сборках.
3. Для подачи питания к бытовым приборам постоянный ток с АКБ трансформируется в переменный с напряжением 220 В с помощью инвертора.
4. Электричество подают к котлу, который нагревает теплоноситель для теплых полов или радиаторов.

Чаще всего используют комбинированные варианты. Например, подключают дом к общей электросети или устанавливают электрокотел как дополнительный к твердотопливному.

Виды солнечных батарей

Для выработки электрической энергии используют несколько видов панелей, которые отличаются друг от друга типом фотоэлементов.

Тонкопленочные

Тонкопленочные солнечные батареи, также известные как гибкие солнечные панели или тонкие пленочные солнечные модули, представляют собой инновационную форму фотоэлектрических устройств, которые отличаются от традиционных кристаллических солнечных панелей.

Особенности и преимущества:

1. Тонкопленочные солнечные батареи довольно гибкие, что делает их удобными для использования в различных отраслях, например, крыши загородных домов.
2. Они обычно легче и тоньше по сравнению с традиционными солнечными панелями, что делает их удобными для транспортировки и установки в различных местах.
3. Тонкий профиль и гибкие формы позволяют интегрировать их в различные поверхности, сохраняя эстетику окружающей среды.
4. Производство тонкопленочных солнечных батарей более экономично и энергоэффективно в сравнении с традиционными технологиями.

Недостатки:

1. Имеют меньшую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество по сравнению с кристаллическими солнечными панелями.
2. Из-за своей гибкости они могут быть менее прочными и более подверженными повреждениям.
3. Тонкопленочные солнечные батареи имеют более короткий срок службы по сравнению с традиционными панелями.

Их делают путем испарения кремния, который затем оседает на гибких пленках. Устройства легко установить на крыше или на земле, они стоят недорого, но имеют низкую эффективность в пасмурную погоду.

Монокристаллические

Монокристаллические солнечные батареи представляют собой один из типов кристаллических солнечных модулей, которые изготавливаются из монокристаллического кремния.

Особенности и преимущества:

1. Монокристаллические солнечные батареи используют кристаллический кремний, который производится в виде одного кристалла. Это позволяет им обеспечивать более высокую эффективность по сравнению с поликристаллическими солнечными батареями.
2. Обычно имеют более высокий коэффициент преобразования солнечной энергии в электричество (эффективность) по сравнению с другими типами солнечных панелей.
3. Их производство более трудоемко и требует высокоточных технологий, но в результате получается более однородный и чистый материал.
4. Могут устанавливаться с меньшим количеством панелей для достижения той же выходной мощности, что делает их более подходящими для ограниченных пространств.
5. Имеют долгий срок службы и стабильную производительность в течение длительного времени.

Недостатки:

1. Минус – стоимость. Более дорогие в производстве по сравнению с поликристаллическими солнечными батареями.

Такие панели собирают из тонких пластин, которые нарезают из искусственно выращенного кристалла кремния. Их КПД составляет до 25%, хорошо работают в любую погоду и при низкой температуре.

Поликристаллические

Поликристаллические солнечные батареи (или поликристаллические солнечные панели) – это еще один тип фотоэлектрических устройств, которые используют кремний в качестве полупроводникового материала.

Особенности и преимущества:

1. В отличие от монокристаллических солнечных батарей, поликристаллические используются из нескольких кристаллов кремния. Это делает процесс производства более экономичным, но также снижает их эффективность по сравнению с монокристаллическими вариантами.
2. Обычно поликристаллические солнечные батареи имеют чуть меньшую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество по сравнению с монокристаллическими. Однако разрыв в эффективности сокращается, и некоторые современные поликристаллические модули могут конкурировать с монокристаллическими.
3. Производство поликристаллических солнечных батарей часто более дешево, что делает их более доступными для широкого круга потребителей.
4. Поликристаллические солнечные батареи широко используются в домашних и коммерческих солнечных энергетических системах, например, отопление дома солнцем, а также в крупных фотоэлектрических установках.
5. Обычно они имеют синий оттенок из-за различий в структуре кристаллической решетки, что может быть учтено при интеграции в архитектурные элементы.

Детали производят из расплава кремния путем его охлаждения. Получаются классические панели синего цвета. Из-за особой структуры поликристалла производительность снижается до 15–20%. Но они дешевле монокристаллических.

Преимущества и недостатки альтернативной отопительной системы

Перед установкой отопительной системы на солнечной энергии нужно оценить сильные и слабые стороны этого решения.

Плюсы и минусы отопительной системы на солнечных батареях для загородного дома

Преимущества отопления от батарей:

• отсутствие вреда окружающей среде;
• сокращение затрат на теплоносители;
• автономная работа без подключения сетей общего пользования;
• генерация электричества для собственных нужд;
• продажа излишков энергии государству.

Минусы этого варианта:

• дорогое оборудование и услуги по монтажу;
• низкая работоспособность в пасмурные дни и зимой;
• нужны дополнительные устройства для трансформации и аккумуляции энергии.

Солнечные батареи для отопления дома не так эффективны, как другие источники тепла. Например, тепловые насосы.

Сроки окупаемости – оборудование и его стоимость

Вложенные в строительство системы обогрева средства окупаются в течение 2–5 лет в зависимости от размера сметы, количества солнечных дней, температуры зимой и других факторов. Общее время эксплуатации такой сети – не менее 30 лет, поэтому такие капитальные вложения оправданы.

Солнечная энергия для отопления

Первый способ использования энергии солнца для обогрева – выработка электричества, которое затем применяют для нагрева теплоносителя. В этом случае инженеры должны собрать отдельный отопительный контур с котлом или нагревательным баком.

Принцип работы панелей с фотоэлементами

Ячейки солнечной панели поглощают и преобразуют лучистую энергию. Полученное таким образом электричество собирают и аккумулируют в виде постоянного тока в АКБ. Одна батарея вырабатывает до 250 Вт, поэтому для обеспечения потребностей небольшого домика нужно «поле» площадью до 30 м2.

ТЭНы накопительного бака или электрокотел работают на переменном токе. Для трансформации используют инвертор нужной мощности. Также частью системы является контроллер, который переключает подачу тока между источниками и потребителями без прерываний.

Эффективность использования фотоэлементов

Отопление от солнечных батарей в коттедже эффективно по нескольким причинам:

• солнце светит везде, поэтому его энергию можно использовать в любом регионе страны;
• такие системы могут работать без подключения к газовым трубам или электросетям общего пользования;
• солнечная электростанция может сделать жилой объект полностью независимым, что важно для отдаленной местности;
• установка и эксплуатация оборудования не требует получения лицензии. Разрешение не нужно даже в том случае, если излишки вырабатываемой энергии владелец продает в общую сеть.

Перед строительством проводят исследование, определяют степень инсоляции и потребности объекта в тепловой (электрической) энергии. В регионах с умеренным и холодным климатом одной солнечной электростанции может не хватить на обогрев помещений.

Схема установки домашней электростанции

Разработка проекта автономного энергоснабжения и отопления, а также его строительство требует профильного образования и навыков в этой сфере. Для установки оборудования привлекают подрядные организации, которые оказывают такие услуги. Самостоятельно подготовить ПД, смонтировать и подключить устройства невозможно. Ошибки в коммутации выведут из строя дорогие устройства.

Зачем добавлять к солнечным батареям ветряки

Автономные энергетические системы в дополнение к солнечным панелям комплектуют ветряными электростанциями. Даже небольшой генератор в ветреную погоду может давать до 500 Вт энергии, компенсируя дефицит из-за недостатка солнечного света.

Солнечные батареи для отопления дома зимой

Панели для выработки электричества от энергии Солнца рассчитаны на эксплуатацию при низкой температуре и не ломаются в мороз. Препятствием может быть только слой снега на их поверхности. Зимой необходимо постоянно очищать батареи, чтобы они могли поглощать излучение.

Вторая проблема состоит в том, что из-за измененного угла расположения солнца относительно горизонта на кристаллы падает меньше света. Поэтому угол их установки рассчитывают для каждого объекта. Лучше всего монтировать их на подвижные платформы, которые меняют положение по запрограммированному алгоритму.

Коллекторная система отопления – устройство и принцип работы

Второй способ отопления жилища солнечной энергией – прямой нагрев жидкого теплоносителя или воздуха, который затем доставляют до комнат трубопроводы (воздуховоды) и насосы (вентиляторы).

Схема работы такой системы:

1. На крышу устанавливают коллекторы, в которых циркулирует теплоноситель.
2. Благодаря трубчатой конструкции жидкость быстро нагревается теплом солнечных лучшей.
3. Она поступает в накопительный бак, а через него – к радиаторам отопления или контурам теплого пола.
4. Для циркуляции теплоносителя применяют насосы.

Степень нагрева напрямую зависит от погоды на улице и интенсивности освещения коллекторов. Их чаще всего используют вместе с другими способами нагрева рабочей жидкости. В автономных системах их роль могут играть котлы на сжиженном газе или твердом топливе.

Такие климатические системы отличаются друг от друга конструкцией коллектора. Рассмотрим основные варианты.

Открытые солнечные коллекторы

Коллектор представляет собой изолированную систему трубок, по которым циркулирует рабочая жидкость. Он часто применяется для подогрева воды в бассейне или летнем душе. Не подходит для круглогодичного обогрева частных домов, дач, других капитальных объектов.

Плоский вариант

Состоит из короба, лицевая часть которого защищена стеклом. Внутри установлен теплопоглощающий материал, который передает тепловую энергию трубкам с теплоносителем. После этого подогретая вода или антифриз поступает в накопительный бак, а оттуда распределяется по контурам отопления.

Трубчатые коллекторы – решение для северных регионов

Эффективный способ обогрева помещений и обеспечения потребителей горячей водой без дополнительных энергозатрат. Коллекторы состоят из отдельных модулей для удобного ремонта и обслуживания.

Преимущества закрытых трубчатых вариантов – высокий КПД и работа при отрицательной температуре воздуха. Рабочая среда хорошо нагревается благодаря форме и прозрачности трубки. Цилиндр лучше освещается лучами солнца со всех сторон, за счет чего происходит нагрев находящейся внутри жидкости.

Воздушный солнечный коллектор

В этом устройстве вместо гликоля для переноса тепловой энергии используется газ. Эффективность работы увеличивают вентиляторы, которые повышают скорость воздушного потока. Нагретый воздух распределяют по помещениям через вентиляционные каналы или используют для нагрева жидкого теплоносителя.

Вакуумный солнечный коллектор

В вакуумном агрегате применяют жидкий абсорбер, который циркулирует по трубкам. При повышении температуры он переходит в газообразную форму и поднимается в коллектор. Там происходит обмен теплом с теплоносителем, который затем поступает в радиаторы отопления. После охлаждения газ конденсируется, образовавшаяся жидкость опускается и уходит на следующий цикл работы.

Это самый эффективный вид коллекторов для солнечного отопления дома. Минусы – стоимость и хрупкость, а также падение эффективности при сильном морозе.

Метод увеличения производительности

Проблема солнечного отопления в том, что для установки панелей или коллекторов нужно много свободного пространства. Часто площади крыши не хватает для монтажа. В этом случае используют несколько способов увеличения производительности:

1. Изменение положения модуля. Для автоматической корректировки в зависимости от положения солнца используют подвижные рамы с датчиками слежения.
2. При стационарной установке средний угол в 45° нужно корректировать в зависимости от географической широты населенного пункта.
3. Панели монтируют так, чтобы их не заслоняли ветки деревьев и расположенные рядом высокие постройки.

Принцип обогрева и его эффективность

Отопление с помощью коллектора работает за счет обмена тепловой энергией между различными веществами. Для повышения его эффективности владелец должен снизить непродуктивные потери тепла. В этом ему помогают инженеры, которые проектируют и строят инженерную сеть объекта.

На что обратить внимание при выборе солнечной системы отопления для частного дома

При принятии решения об установке солнечной отопительной системы и для выбора характеристик оборудования нужно учитывать такие факторы:

1. Степень инсоляции. Для определения количества поступающего солнечного света используют солнечные атласы.
2. Затраты на отопление. Сюда включаются затраты электроэнергии и стоимость топлива, которое необходимо на весь отопительный сезон.
3. Объем потребления электроэнергии. Его считают для обогрева с помощью солнечных панелей, которые вырабатывают электричество.
4. Выбор оборудования. Расчет мощности и производительности делают инженеры, уточнить характеристики устройств можно в спецификации к проекту.

Оборудование для частной солнечной станции

Список необходимых для работы системы приборов зависит от выбранного варианта. В случае отопления солнечными батареями понадобятся такие компоненты:

• панели для выработки электрической энергии;
• аккумуляторы для накопления заряда;
• контроллеры заряда, которые управляют процессом накопления и расхода энергии;
• инвертор для преобразования постоянного тока в переменный;
• соединительные кабели.

Нужно учитывать производительность панелей, емкость батарей и мощность инвертора.

Средняя стоимость солнечной станции

Действующее законодательство РФ – «объект микрогенерации»

Если дом отапливают солнечными батареями, излишки производимой электроэнергии можно продавать государству. В этом случае коттедж будет иметь статус «объекта микрогенерации» и не просто сокращать расходы, а приносить доход:

• постановление Правительства Российской Федерации от 02.03.2021 № 299 "О внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации в части определения особенностей правового регулирования отношений по функционированию объектов микрогенерации".

Помощь от государства при установке солнечных батарей для отопления частного дома

Законодательством нашей страны предусмотрена помощь владельцам домов, которые хотят использовать энергосберегающие технологии и альтернативные источники энергии. Часть затрат, которые собственник несет на строительство такой системы, компенсируют из местных бюджетов. Порядок и суммы выплат регламентируют местные нормативно-правовые акты.

Проектирование

Подготовкой проекта системы обогрева занимаются только квалифицированные инженеры. Если вы хотите использовать альтернативные источники энергии для отопления помещений, обращайтесь в компанию Qwent. Наши специалисты составят ПД, согласуют ее в контролирующих органах и возьмут на себя реализацию проекта.

Монтаж

Солнечные панели и оборудование устанавливают строители и электрики с профильным образованием и опытом. Ошибки при монтаже могут вывести из строя устройства и привести к поражению электрическим током.

На крышу дома

Наиболее простой способ монтажа – на кровлю постройки. Лучше всего панели ставить на южную сторону скатной крыши. Минус такого варианта в том, что батареи сложно обслуживать (очищать от снега и пыли). Кроме того, на кровельном покрытии может не хватить места.

Рамная конструкция

При установке на земле используют рамы, которые по размеру подходят для выбранных батарей. Более эффективный, но дорогой вариант – монтаж на подвижных конструкциях, которые могут менять положение в зависимости от времени суток и сезона.

Затраты – пример расчета для типичного загородного дома

Для строительства мощной автономной системы электро- и теплоснабжения частного дома необходимо около 39 тыс. долларов США – такова цена (стоимость комплекта) отопления солнечными батареями частного дома. Но ее возможностей достаточно, чтобы полностью отказаться от покупки электроэнергии и топлива для котла.

Научные исследования по теме: использование солнца для отопления загородного дома

1. Исследование, проведенное в 2020 году «Институтом возобновляемых источников энергии (ИРЭ) РАН», показало, что солнечное отопление может обеспечить до 70% потребности в тепле для частного дома в южных регионах России. В исследовании использовались солнечные коллекторы с жидкостным теплоносителем.
2. Исследование, проведенное в 2021 году компанией «Росатом», показало, что отопление дома солнечными батареями может обеспечить до 50% потребности в тепле в средней полосе России. В исследовании использовались солнечные коллекторы с воздушным теплоносителем.
3. Исследование, проведенное в 2022 году компанией «Роснано», показало, что отопление от солнечных батарей в загородном доме может обеспечить до 30% потребности в тепле в северных регионах России. В исследовании использовались солнечные коллекторы с жидкостным теплоносителем.

Эти научные исследования показывают, что солнечное отопление может быть эффективным способом снизить затраты на отопление частного дома. Однако, необходимо учитывать ряд факторов, таких как географическое расположение, площадь здания и теплопотери, а также тип используемых солнечных коллекторов.

Рекомендации от специалистов инженерной компании Qwent

1. Выбирайте солнечные коллекторы с высоким коэффициентом эффективности. Это позволит вам сэкономить деньги на покупке коллекторов и увеличить количество вырабатываемой тепловой энергии.
2. Учитывайте угол наклона крыши дома. Оптимальный угол наклона крыши для солнечных коллекторов составляет 30-40 градусов.
3. Учитывайте ориентацию крыши дома. Лучше всего, если крыша будет ориентирована на юг.
4. Важно учитывать то, что эффективность солнечного отопления зависит не только от географического расположения, площади здания и типа используемых солнечных коллекторов, но и от интенсивности солнечного излучения. В России интенсивность солнечного излучения значительно ниже, чем в южных странах, поэтому в наших широтах для обеспечения полной потребности в тепле солнечными коллекторами потребуется большая площадь, чем в южных странах.
5. Для обеспечения надежности работы системы солнечного отопления необходимо предусмотреть резервный источник тепла, например, газовый котел или электрический нагреватель. Это особенно важно в регионах с холодным климатом, где солнечные коллекторы не могут обеспечить полную потребность в тепле в течение всего отопительного сезона.

— Алексей Папченко, руководитель технического отдела проектно-монтажной компании Qwent.

Куда обратиться?

Если вам нужно сделать систему отопления от солнечных батарей в загородном доме под ключ, обращайтесь в инженерную компанию Qwent через электронную форму на сайте или по указанному телефону: +7 (495) 055-72-55.

Сертифицированные специалисты Qwent разработают проект, выполнят монтаж и проведут пусконаладочные работы системы обогрева.

Наши лицензии и сертификаты

Деятельность инженерной компании Qwent лицензирована. В наличии все необходимые сертификаты и допуски СРО, включая лицензию МЧС.

Лицензия МЧС

Допуск СРО в области монтажа

Допуск СРО в области проектирования

Сертификат соответствия ISO 9001

Вывод

Отопление от солнечных батарей или термальных коллекторов в частном доме представляет собой перспективное и экологически чистое решение. Эта технология позволяет использовать бесплатную солнечную энергию для обеспечения тепла в доме, что не только снижает энергозатраты, но и содействует уменьшению воздействия на окружающую среду. При правильной установке и использовании солнечных коллекторов, такая система может быть выгодной, устойчивой и эффективной формой отопления.

Литература

1. Сиротина Д. Д. Отопление частного дома солнечными батареями //Актуальные проблемы строительства, ЖКХ и техносферной безопасности. – 2021. – С. 319-321.
2. Сулейманов Г. М., Дибиров М. Г. Использование солнечной энергии для энергосбережения частного дома //Беренгартен МГ-заместитель директора Института инженерной экологии и химического машиностроения Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ), профессор. – 2014. – С. 209.
3. Чумаков Г. А. Солнечные коллекторы для частного дома //Аллея науки. – 2018. – Т. 2. – №. 2. – С. 271-274.