Солнечные батареи для отопления дома: обогрев тепловыми панелями, радиаторы, теплый пол, коллекторы

Какие бывают солнечные батареи для отопления дома – виды, особенности, преимущества и недостатки

Расходы

Чтобы выбрать оптимальную систему отопления, важно рассчитывать расходы на отопление. Расчёт стоимости производится по следующему алгоритму:

1. Рассчитываем примерные теплопотери дома. Общие таблицы теплопотерь для разного вида зданий, размеров и местоположения можно найти в сети.
2. Рассчитываем количество топлива, которое нужно сжечь для восполнения теплопотерь дома за отопительный сезон. Для этого делим теплопотери на теплотворную способность единицы топлива, получится количество необходимого топлива. Умножаем получившуюся цифру на коэффициент 1.2 — погрешность на КПД системы и неточность расчётов.
3. Умножаем количество топлива на его среднюю цену.
4. Прибавляем к получившейся стоимости топлива стоимость обслуживания и ремонта оборудования.

1. Делим стоимость отопительного оборудования на срок службы — получаем стоимость амортизации.
2. Добавляем среднесезонную амортизацию системы отопления — получаем ориентировочную стоимость отопления в год.

При расчёте обязательно будут неточности и условности. В любом случае значительно сократить стоимость помогут мероприятия по утеплению дома.

Теплоноситель в коллекторах

По внутренним теплообменным трубкам может циркулировать как вода, так и антифриз. Использовать воду можно в регионах, в которых минусовых температур не бывает или предполагается эксплуатация системы исключительно в теплое время года (на дачах, например). Но при сезонном использовании перед консервацией на зиму с панелей необходимо слить всю воду. Во всех остальных случаях и регионах требуется заливка антифриза или его водного раствора (зависит от минимальных температур в регионе).

Нужно помнить, что при использовании антифриза в баке-аккумуляторе будет находиться змеевик, а циркуляция теплоносителя будет обеспечиваться насосом. Такая система называется «замкнутой»: по гелиосистеме движется теплоноситель по замкнутому контуру.

Если через коллектор протекает антифриз, в баке стоит теплообменник

Многих пугает зависимость от наличия электричества. Стоит сказать, что есть модели плоских солнечных коллекторов с естественной циркуляцией. Их КПД ниже из-за меньшей скорости продвижения теплоносителя, но они вполне работоспособны. Правда, для организации полноценного отопления потребуются значительные площади.

Для тех, кого не устраивает снижение эффективности, есть другой выход: обеспечение резервного питания. В самом простом варианте это источник бесперебойного питания с несколькими автомобильными аккумуляторами. Это даст несколько часов работы без электричества в сети. Для  более продолжительной работы потребуется  уже генератор. Есть и третий вариант: насосы, работающие от солнечной энергии. Но они пока редкость. И четвертый способ: поставить солнечную батарею и аккумуляторы, которые и будут резервным источником питания.

При использовании воды в качестве теплоносителя, она из накопительного бака поступает на гелиоколлектор, где нагревается. Нагретая возвращается в резервуар, и затем напрямую идет в систему отопления и горячего водоснабжения. Так как из системы вода расходуется, то она называется «открытой». Вода при такой системе безопасна в бактериальном и биологическом плане: в теплообменных трубках она нагревается до высоких температур, так что погибают все микробы.

Реальные способы обогрева

Как вы поняли их вышесказанного, реализовать полноценное электрическое отопление дома солнечными батареями довольно сложно (и дорого). Далеко не каждый хозяин решится купить и установить панели на площади 100–150 м², дабы прогреть небольшой дом или дачу. Значит, схема электрокотел + водяная система + отопительные радиаторы отпадает.

Но идею обогрева солнечными модулями все же нельзя назвать утопией. Перечислим варианты, реализованные домовладельцами на практике:

панели плюс инверторные кондиционеры с коэффициентом эффективности COP 3.5–4;

подключение батарей напрямую к электрическим обогревателям без инвертора;

строительство полноценной СЭС, продажа электроэнергии государству, вырученные средства идут на оплату традиционного отопления.

Начнем с третьего варианта, который интересен предпринимателям. В странах, где государством установлен так называемый зеленый тариф, домовладелец может получать электричество из возобновляемых источников и отдавать в общую энергетическую сеть, получая прибыль. То есть, домовладелец приобретает те же 200–300 солнечных панелей, но продает энергию по хорошей цене, а не расходует почем зря.

Большое количество батарей на крыше жилого дома не поместится, станцию большой мощности придется размещать на участке

Например, в Украине зеленый тариф превышает обычный в 3 раза (по состоянию на июнь 2019 г.). Необходимо выдержать 1 условие: минимальная производительность СЭС – 30 кВт. Строите электростанцию, поставляете энергию в сеть, а сами покупаете втрое дешевле.

Оставшиеся 2 варианта рассмотрим поподробнее.

Отопление кондиционерами

Способ основан на эффективности инверторных сплит-систем, доставляющих внутрь дома вчетверо больше тепла, чем затрачено электроэнергии. Как реализовать такое отопление:

1. Первым делом максимально снижаем теплопотери здания – утепляем стены, полы и крышу, устанавливаем энергосберегающие окна. Идеальный показатель теплопотребления для жилища 100 м² – 6 кВт.
2. Приобретаем 2 кондиционера с инверторными компрессорами, работающими при отрицательной уличной температуре. Суммарная производительность агрегатов должна равняться теплопотерям дома, в нашем случае – 6 кВт. Потребление таких «сплитов» не превысит 2 кВт.
3. Монтируем солнечную станцию, способную круглосуточно обеспечивать электричеством кондиционеры.
4. Для отопления в самые холодные сутки стоит установить любой традиционный источник тепла – котел, дровяную печь.

Тепловые насосы Mitsubishi Zubadan расходуют энергии еще меньше, чем кондиционеры, а тепла приносят вчетверо больше (COP = 4)

Видео в конце данного раздела подтверждает, что описанная схема вполне работоспособна. Один существенный минус: при отрицательной температуре эффективность кондиционеров резко снижается, без помощи котла не обойтись. В условиях умеренного и северного климата солнечные модули в одиночку не справятся.

Использование местных обогревателей

Речь идет о значительном удешевлении системы в случае использования неприхотливых потребителей – обычных тепловентиляторов. Ввиду отсутствия инвертора к солнечным модулям придется подключать 12-вольтовые обогреватели (можно взять автомобильный либо сделать своими руками).

Как собрать солнечный генератор электроэнергии:

1. Устанавливаем нужное количество батарей с рабочим напряжением 12 вольт.
2. Соединяем их проводами 2.5 мм² согласно приведенной ниже схеме – без инвертора.
3. Подключаем нагрузку – маломощный тепловентилятор на 12 В.

Ниже на видео специалист подробно описывает все нюансы такого подключения. Способ годится для обогрева отдельных комнат тепловентиляторами 1–1.5 кВт. Отопить весь дом сложнее – нужно собирать несколько отдельных контуров с солнечными панелями, чтобы не увеличивать сечение проводов.

Сколько нужно солнечных батарей для отопления дома

Казалось бы, все просто. На обогрев небольшого загородного коттеджа площадью 100 м² пойдет приблизительно 10 кВт = 10 000 Вт тепловой энергии. Это 100 панелей по 0.1 кВт или 34 больших модуля по 300 Вт. Столько батарей на крышу дома не поставишь, а о квартире и речи нет.

Сразу оговоримся, полученный результат – неправильный, поскольку не учитывает особенности эксплуатации солнечных энергетических систем:

1. Фотоэлектрический модуль выдает максимальную мощность, когда лучи падают под углом 90° к плоскости батареи. Если не сделать трекер – следящий механизм, поворачивающий панель вслед за движением солнца, потеряем около 40% энергии. С другой стороны, подобное устройство тоже расходует электричество.
2. Величина солнечного излучения на 1 м² – инсоляция – зависит от региона проживания, высоты над уровнем моря, затененности участка. Перечисленные факторы напрямую влияют на производительность батарей.
3. С течением времени полупроводниковое покрытие модулей деградирует, в результате теряется примерно 1% электрической мощности ежегодно.
4. Если фотоэлектрический слой перегревается солнцем, производительность панели тоже уменьшается.
5. Малая толика энергии теряется в сопутствующем оборудовании – инверторах, контроллерах, АКБ. Это банальный нагрев деталей – трансформаторов, микросхем и прочих элементов.
6. Когда рабочая поверхность загрязняется пылью либо засыпается снегом, возникают дополнительные потери.
7. Заметьте, для отопления солнцем зимой вырабатываемого электричества должно хватать на обогрев дома и зарядку аккумуляторов на ночь.

Вывод. Универсального расчета электрической мощности батарей, подходящего ко всем странам и регионам, не существует. Но озвученную выше цифру 10 кВт нужно удвоить (как минимум), чтобы получить пристойный результат на практике. Понадобится от 200 стоваттных панелей, занимающих площадь свыше 140 м².

Есть надежный способ получить точные данные по инсоляции и рассчитать производительность солнечных батарей – обратиться в местную организацию, занимающуюся их монтажом. Либо самому изучать карту инсоляции района.

На карте видно, что центральные регионы РФ получают довольно мало радиации солнца – в среднем 3–3.5 кВт на метр квадратный за день

Предлагаем пойти другим путем – использовать опыт владельцев солнечных автономных электростанций, почитать их отзывы на тематических форумах. Отыщите там пользователей, проживающих в вашей местности, если хотите получить реальные цифры бесплатно. Приведем примеры:

1. Автономная система солнечного электроснабжения, расположенная в Ленинградской области, РФ. Установлено 6 панелей по 0.22 кВт (всего 1.32 кВт), пиковая мощность в зимний безоблачный день – 1157 Вт. Тема обсуждается на известном русскоязычном форуме.
2. г. Анапа, производительность батарей – 2.2 кВт, количество не указывается. За световой день электростанция генерирует порядка 9 кВт.
3. г. Москва, мощность СЭС 2.64 кВт. За весь июнь установка выработала 304 кВт энергии.

Обратите внимание: нами учитывалась только солнечная энергия для отопления, подогрев воды и прочие хозяйственные нужды в расчет не принимались. Как рассчитать число батарей на практике, смотрите в видеосюжете:. https://www.youtube.com/embed/yAdM3dke6iQ

Что представляют собой солнечные батареи?

Уже давно датируется тот день, когда были изобретены устройства, которые могут заряжаться от света. Еще в 90-х годах человечество ознакомилась с такими изобретениями, как батарейки для часов, калькуляторов и других мелких устройств. Ученые из других стран научились использовать энергию солнечных лучей несколько раньше, чем наши отечественные исследователи. Некоторый опыт есть и у наших специалистов, поэтому сейчас необходимо только заняться усовершенствованием некоторых достижений и результатов.

Строение солнечной батареи

Удачным достижением можно назвать использование солнечных лучей для организации отопительной системы частного или загородного дома. Солнечная система отопления входит в категорию альтернативных, особенно в тех странах, где солнце светит более 20 дней в месяц. Стандартные системы отопления дорогостоящие не только в плане организации, но и в плане коммунальных тарифов. Альтернативные отопительные системы помогут избавиться от зависимости коммунальных контор.

Особенности обогрева каркасных частных домов

​

Дома, выполненные по каркасной технологии, имеют особенности в организации отопления. Эти дома хорошо утеплены, но обладают низкой теплоёмкостью.

Это значит, что нагреватели в доме должны постоянно компенсировать теплопотери, так как стены дома не в состоянии накопить тепло.

Отпадают варианты сильного быстрого нагрева: камины, большинство дровяных металлических печей. В зависимости от вида топлива лучше применять массивные печи (только при наличии массивного фундамента), газовый или электрический котёл, керамические или масляные конвекторы. Неплохим подспорьем может стать использование солнечной энергии.

Трубчатые гелионагреватели

В системах нагрева одна из первостепенных задач — обеспечить сохранность тепла и не допустить его потерь. Для этого используются разные утеплители и среды, предупреждающие рассеивание тепловой энергии. Самый эффективный теплоизолятор — вакуум. Этот принцип и использован в трубчатых или, как их еще называют, вакуумных солнечных коллекторах. Но вакуумные гелиоколлекторы могут быть четырех модификаций. Они имеют разный тип стеклянной трубки и разные тепловые каналы.

Так выглядят трубчатые гелиоустановки

Типы трубок

Сегодня в основном используются два типа трубок: коаксиальная (труба в трубе) или перьевая. Коаксиальная трубка по строению напоминает термос: две колбы герметично спаяны между собой одним из концов, между стенками — разреженное пространство — вакуум. На стенку второй колбы нанесен поглощающий слой. В нем солнечные лучи преобразуются в тепловую энергию. Внутренняя стенка колбы нагревается, от нее нагревается воздух внутри колбы, а от него в свою очередь нагревается теплоноситель, который циркулирует по тепловому каналу. Из-за сложной системы передачи тепла нагреватели с такими трубками имеют не очень высокий КПД.  Но используются они чаще. По тому причине, что работать могут в любое время, даже в сильные морозы и имеют небольшие теплопотери (из-за вакуума), что улучшает их эффективность.

Коаксиальная трубка

Перьевая трубка — это всего одна колба, но с большей толщиной стенки. Внутрь вставляют тепловой канал, который для улучшения теплоотдачи снабжают плоской или чуть извилистой пластиной из адсорбирующего материала.  После чего трубка вакуумируется. Этот тип имеет более высокий КПД, но стоит намного дороже коаксиальных. К тому же более сложная замена при выходе трубки из строя.

Перьевая трубка — внутри пластина, напоминающая перо

Виды тепловых каналов

Сегодня распространены два типа тепловых каналов:

Heat-pipe

U-type или прямоточный канал.

Схема работы теплового канала Heat-pipe

Система Heat-pipe — это полая трубка с массивным наконечником на одном конце. Это наконечник изготовлен из материала с хорошей теплоотдачей (чаще всего медь). Наконечники соединяются в единую шину — манифолд (manifold). Их тепло отбирает циркулирующий через манифолд теплоноситель. Причем циркуляция теплоносителя может быть организована по одной или двум трубам.

Внутри трубки находится легко кипящее вещество. Пока температура невысокая, оно находится в жидком состоянии в нижней части теплового канала. По мере нагрева начинается его кипение, часть вещества переходит в газообразное состояние, поднимается вверх. Разогретый газ отдает тепло металлу массивного наконечника, охлаждается, переходит в жидкое состояние и по стенке стекает вниз. Затем он снова нагревается и т.д.

В трубчатых коллекторах с прямоточным каналом используется более привычная схема теплообмена: имеется U-образная трубка, по которой движется теплоноситель. Проходя по ней, он нагревается.

Теплообменники U-типа показывают лучшую производительность, но их главный недостаток — они являются неделимой частью системы. И при повреждении одной трубки в солнечной панели менять придется всю ее полностью.

Теплообменники Heat-pipe типа  менее эффективны, но используются намного чаще из-за того, что система получается модульной и любая поврежденная трубка меняется очень просто. Просто из манифолда достается одна, на ее место ставится другая. Как это происходит, вы можете увидеть в видео. Как ни странно, но так собирается вакуумная трубка для солнечных коллекторов. И противоречия тут нет. Просто использована коаксиальная колба и вакуум находится между ее стенками, а не вокруг теплового канала.

Отдельным видом солнечных трубчатых коллекторов являются установки прямого нагрева. Их еще называют «мокрой трубкой». В этой конструкции между двумя колбами циркулирует вода, она и нагревается от их стенок, затем поступает в резервуар. Эти установки просты и дешевы, но не могут работать под повышенным давлением или при отрицательных температурах (вода замерзает и разрывает колбы). Этот вариант для отопления непригоден, можно использовать для нагрева воды в теплый сезон.

Система «теплый пол»

Технология напольного отопления – это удобная и экономичная система прогрева помещения. В современных установках используются прогрессивные материалы. Для изготовления трубопроводов применяются легкие и прочные полимерные материалы.

Основой теплого электрического пола служит греющий кабель. Главное в этом виде отопления – качество кабеля, от которого зависит эффективность работы системы и длительность ее службы.
Теплые полы, использующие воду, не выделяют вредных веществ, электромагнитных излучений. Вода – дешевый и теплоемкий теплоноситель. Монтируется сеть трубопровода, по которой течет жидкость, между основанием и покрытием пола. По сравнению с электрической системой «теплый пол», этот вид отопления значительно дешевле.

Политика энергоснабжения, проводимая в последние годы, предполагает переход на возобновляемые источники энергии. Все чаще для производства электричества используется не газ и уголь, а солнце, ветер, энергия воды. Это экологически чистые источники энергии, которые не загрязняют выбросами и сбросами окружающую природную среду.

Где можно делать комбинированные системы?

Площадь и этажность в нашем примере весьма условны. Нужно также согласовать и режимы их работы.

Одно дело: подсоединить систему радиаторного отопления к котлу, когда весь функционал для этого в котле уже заложен. Они предлагают провести полипропиленовые трубы подачу и обратку в слое песка под стяжкой вдоль фундамента. Она может быть однотрубной или двухтрубной.

В некоторых ситуациях когда все радиаторы закрыты, а теплый пол работает насос котла и насос теплых полов работают последовательно, мешая друг другу. Монтаж комбинированного отопления в системе с газовым котлом Самым сложным моментом в процессе монтажа комбинированного отопления является необходимость подачи от коллектора для теплого пола и радиаторов теплоносителя с разными температурами по двум трубам. В зависимости от температуры на выходе внутрипольного контура смесительный клапан открывается или закрывается, увеличивая или уменьшая количество горячего теплоносителя с подачи в контуре с рециркуляцией.

Это необходимо, чтобы удостовериться в герметичности всех выполненных стыков. Воздушный тепловой насос основной источник тепла Воздушный тепловой насос Перед тем как рассмотреть положительные и отрицательные стороны существующих отопительных агрегатов, расскажем немного о воздушном.

Где можно делать комбинированные системы?

Коллектор монтируется в специальный ящик материал — оцинкованная сталь , который соответствует его размеру. При этом не имеет значение вид теплоносителя или источник тепла.

Обозначение основных элементов схемы: настенный газовый котел со встроенным циркуляционным насосом и расширительным баком; гидравлический разделитель термогидравлический разделитель или гидравлическая стрелка ; коллектор коллекторная балка для подключения отопительных контуров; узел циркуляции контура радиаторного отопления; смесительный узел конура водяного теогопл пола; предохранительный термостат. Трехходовой термостатический клапан второй разновидности отличается тем, что обеспечивает регулирование интенсивности подачи только горячего потока. В более сложных системах контроллер руководствуется также погодным датчиком, осуществляя предупредительное изменение мощности обогрева.

4 Проверенные схемы подключения водяного теплого пола

В результате теплоносители смешиваются следующим образом: жидкость из обратной трубы подается непрерывно, а горячая жидкость подается лишь в случае, когда это необходимо. В этом случае внутрипольные конструкции будут долговечными, надежными и прочными.

Применяется специальное термочувствительное устройство. Отопление с котлом на твердом топливе Комбинированное отопление с твердотопливным котлом представляет собой закрытую гравитационную системы с теплоаккумулирующим устройством.
Комбинируем отопление. Теплый пол + радиаторы. Простое решение

Солнечные коллекторы трубчатого типа

Для сборки трубчатого солнечного коллектора используются отдельные трубки, заполненные водой, газом или паром. Такая конструкция является одним из видов открытых гелиосистем, но с более теплоносителем, более защищенным от негативного воздействия внешних факторов. Сюда относятся вакуумные установки, устроенные по принципу термоса.

В трубчатом солнечном коллекторе трубки расположены параллельно с индивидуальным подключением к общей системе. Это позволяет заменять вышедшую из строя трубку новым элементом без ущерба для работы всей конструкции. Кроме того систему можно собирать непосредственно на крыше здания, что во многом упрощает монтажный процесс.

Главным преимуществом трубчатого солнечного коллектора является цилиндрическая форма основных элементов. Благодаря этому солнечная энергия собирается на протяжении всего светового дня, причем для этого не требуется установка дополнительных устройств, которые следят за передвижение солнца.

В зависимости от конструктивных особенностей солнечные коллекторы делятся на два вида: перьевые и коаксиальные.

Трубки коаксиального типа имеют некоторое сходство с обычным термосом. Их конструкция представляет собой две колбы с откачанным между ними воздухом. Поверхность внутри первой колбы покрыта высокоселективным веществом, которое способно максимально поглощать солнечную энергию.  Именно этот слой служит своеобразным проводником тепловой энергии к внутреннему теплообменнику, состоящему из алюминиевых пластинок. Однако этот этап характеризуется большим количеством нежелательных потерь тепла.

Трубки перьевого типа выполнены из стекла и имеют цилиндрическую форму, внутри стеклянного цилиндра располагается перьевой абсорбер. Отсутствие воздуха внутри трубки существенно повышает теплоизоляционные характеристики. Количество передаваемого от абсорбера тепла практически не снижается, следовательно, коэффициент полезного действия таких коллекторов значительно выше.

Передача тепла осуществляется прямоточной системой и посредством термотрубки.

Термотрубка – это запаянная емкость, внутрь которой залита легкоиспаряющаяся жидкость, в качестве которой чаще всего используется вода под низким давлением. Нагреваясь от внутренних стенок емкости или перьевого абсорбера, жидкость закипает, и ее пары поднимаются вверх. После передачи тепловой энергии теплоносителю отопительной системы или горячего водоснабжения происходит конденсация пара в жидкость, которая по стенкам стекает вниз.

Прямоточная система представляет собой U-образную трубку с циркулирующим внутри теплоносителем.

В одной половине трубки располагается холодный теплоноситель, посредством второй части отводится нагретая жидкость. При повышении температуры происходит расширение теплоносителя, и он поступает в накопительный бачок для обеспечения естественной циркуляции.

Главным условием расположения термотрубки и прямоточной системы является создание определенного угла наклона, который не должен быть меньше 20 градусов.